ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 2 (8), стр. 277-282

НОВЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКОВ

ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ НА УСКОРИТЕЛЯХ

Г. И. Бритвич, А. А. Дурум, М. Ю. Костин,

В. А. Маишеев, Ю. А. Чесноков^*, А. А. Янович

Институт физики высоких энергий им. А. А. Логунова

Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

142281, Протвино, Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 25 февраля 2019 г.,

после переработки 25 февраля 2019 г.

Принята к публикации 6 марта 2019 г.

Получение пучков вторичных частиц (π- и K-мезоны) на ускорителях протонов является сложной на-

учной и технической задачей. Чтобы обеспечить узконаправленные потоки частиц для экспериментов

применяют высокоинтенсивные выведенные пучки протонов, на внешней мишени генерируют вторич-

ные частицы, π- и K-мезоны; далее с помощью протяженных магнитооптических каналов осуществляют

их фокусировку и транспорт. В настоящей работе предложен удивительно простой способ получения

вторичных пучков, основанный на применении кристаллического фокусирующего устройства. Проведен

опыт по получению вторичного пучка на ускорителе У-70 с помощью кристалла. Предложены схемы

формирования пучков в области энергий E ∼ 1 ТэВ для крупных коллайдеров класса БАК.

DOI: 10.1134/S0044451019080066

крупных ускорителях протонов с E ∼ 100 ГэВ (super

proton synchrotron, SPS в ЦЕРНе, У-70 в ИФВЭ

1. ВВЕДЕНИЕ

и др.) предполагает медленный вывод протонного

пучка, рождение вторичных частиц на мишени, их

Сейчас крупные ускорители (Большой адронный

фокусировка и транспорт в протяженных магни-

коллайдер, БАК) и проекты будущих (Future circu-

тооптических каналах [4, 5]. Для энергий в обла-

lar collider, FCC) предназначены для работы в моде

сти ТэВ такой способ получения вторичных частиц

коллайдера на встречных пучках. Недавно в рамках

становится слишком затратным и требует больших

программы «Физика за пределами коллайдеров» по-

площадей свободного пространства.

явились предложения исследований с фиксирован-

ной мишенью на БАК (см. работы [1-3] и ссылки в

Если энергия ускоренного пучка протонов E ≥

них). Однако техническая сторона вопроса, где тре-

≥ 1 ТэВ, как на больших коллайдерах (класса БАК

буются конкретные схемы получения выведенных

и выше), то энергия вторичных частиц смещается за

пучков частиц, подробно не проработана. В данной

сотни гигаэлектронвольт. Угол разлета таких час-

работе предложен простой способ получения пучков

тиц с мишени в лабораторной системе отчета равен

вторичных частиц на ускорителях ТэВ-класса, осно-

θ [мрад] = 400/p [ГэВ/c] становится менее или по-

ванный на применении кристаллического фокусиру-

рядка 1 мрад (p — импульс частицы). Это обстоя-

ющего устройства.

тельство позволяет осуществить удивительно про-

стой способ получения пучков частиц, основанный

2. СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫВЕДЕННЫХ

на применении кристаллического фокусирующего

ПУЧКОВ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ НА

устройства.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Предлагается схема, показанная на рис. 1. Вто-

Традиционный путь для получения выведен-

ричные частицы, π- и K-мезоны, генерируются на

миниатюрной внутренней мишени, установленной в

ных пучков частиц, реализованный на современных

кольцо крупного протонного ускорителя с энерги-

^* E-mail: Yury.Chesnokov@ihep.ru

ей порядка 1 ТэВ и больше (это могут быть БАК,

277

Г. И. Бритвич, А. А. Дурум, М. Ю. Костин и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

, ГэВ^-1

0.002

Рис. 1. Схема получения пучка вторичных частиц: 1 — цир-

кулирующий протонный пучок; 2 — внутренняя мишень;

0.001

3 — кристаллический фокусирующий элемент; 4 — зона

физической установки

500

1000

1500

2000

E , ГэВ

Рис. 3. Нормированные спектры рождения π-мезонов в ми-

шени на одно ядерное взаимодействие в створе углов, ко-

торые перекрывает кристалл

пучок. Заметим, что угол Линдхарда в области энер-

гий E ∼ 100 ГэВ составляет около 10 мкрад. Для вы-

вода пучка за пределы кольцевого ускорителя, что-

1 см

бы не задеть магниты, достаточно угла поворота в

кристалле менее одного градуса. В работах [12-14]

Рис. 2. Внешний вид кристаллического фокусирующего

показано, что в таких условиях кристаллы могут с

устройства

высокой эффективностью формировать сфокусиро-

ванные пучки пионов и каонов.

На рис. 3 показаны результаты расчета спект-

FCC). Мишенью может быть струйная мишень на

ра пионов, рожденных на мишени и попадающих на

основе газа или жидкого металла. В нескольких мет-

фокусирующую кромку кристалла, с применением

рах (не более 10 м) располагается кристалличес-

формулы Маленсека [15]. Три разные кривые учи-

кое устройство. Следует отметить, что в течение

тывают геометрический фактор, соответствующий

нескольких лет был достигнут огромный прогресс в

месту расположения кристалла относительно орби-

создании разных вариантов таких устройств [6-11].

ты циркулирующего пучка. Кривая 1 показана для

Так, на рис. 2 показан разработанный в ИФВЭ фо-

случая, когда кристалл расположен под углом к ми-

кусирующий элемент из кремния [10].

шени 0.1 мрад. Кривая 2 отражает случай, когда

Готовится ориентированная пластина кремния,

кристалл отстоит на угол 0.2 мрад, чтобы не заде-

имеющая в сечении форму трапеции. Пластина из-

вать циркулирующий пучок. Кривая 3 — это слу-

гибается в вертикальном направлении металличес-

чай для нулевого угла вылета частиц. Углы горизон-

ким держателем, а по горизонтали, за счет анизо-

тального и вертикального захватов фокусирующего

тропии кристаллической решетки, возникает равно-

кристалла полагались равными 2 мрад, что дости-

мерный изгиб трапеции, где на скошенной стороне

жимо в рамках существующих технологий. Эффек-

достигается фокусирующий эффект. Высокое каче-

тивность поворота в кристалле учитывалась соглас-

ство устройства было проверено при фокусировке

но данным работы [16]. В зависимости от угла пово-

протонов с энергией 50 ГэВ [10] и 400 ГэВ [11]. Крис-

рота частиц в кристалле эффективность отклонения

таллическое устройство не только фокусирует, но и

убывает согласно кривым на рис. 4. Угол отклоне-

отклоняет пучок частиц, причем на выходе полу-

ния частиц в кристалле в конечном счете опреде-

чается параллельный, в пределах угла Линдхарда,

ляется геометрией расположения физической уста-

278

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

Новый способ получения пучков вторичных частиц...

1.00

0.75

Рис. 5. Схемы формирования вторичного пучка с узким

интервалом импульсов в горизонтальной (а) и вертикаль-

0.50

ной (б) плоскостях: T — мишень; Cr — кристалл; M —

магнит

на рис. 5. Ширина интервала импульсов будет рав-

на отношению поперечного размера кристалла к ли-

0.25

нейной дисперсии, создаваемой магнитом. Заметим

также, что в качестве магнита можно использовать

Ge(110)

один из штатных диполей ускорителя, расположив

перед ним мишень.

Si(110)

Важным вопросом применяемых схем с внутрен-

ней мишенью является возможный режим работы

ускорителя. Если рассматривается паразитный ре-

100

жим работы внутренней мишени, совмещенный с ра-

, мрад

ботой коллайдера, то интенсивность ядерных взаи-

Рис. 4. Эффективность поворота пучка протонов, захва-

модействий в мишени не должна превышать вели-

ченного в режим каналирования, от угла изгиба α крем-

чину потерь на штатных коллиматорах, которая со-

ниевого и германиевого кристаллов

ставляет величину не больше 10⁸ частиц в секунду

[17]. Для получения более интенсивных пучков, на-

пример для формирования нейтринных и мюонных

новки на ускорителе. Минимальный угол порядка

пучков [14], должна быть предусмотрена автоном-

долей градуса необходим, чтобы вывести сформи-

ная работа в качестве основного потребителя. Сле-

рованный пучок за пределы вакуумной камеры, не

дует отметить, что при высоких энергиях БАК ко-

задев магниты ускорителя. В этом случае норми-

роткие внутренние мишени работают с эффективно-

рованные интенсивности выведенных частиц будут

стью, которая приближается к единице, поскольку

близки к приведенным на рис. 3. Для угла поворота

рассеяние частиц на стенки вакуумной камеры при

около четырех градусов, удобного для компактного

многооборотном движении отсутствует. Угол мно-

расположения установки, интенсивности уменьшат-

гократного рассеяния до момента ядерного взаимо-

ся в 20 раз для кремниевого кристалла и в 10 раз

действия в мишени,

для германиевого кристалла.

√

L_nucl

Поскольку выведенный пучок обладает малой

ϕ [мрад] =

p [ГэВ/c] L_rad

угловой расходимостью, довольно легко организо-

вать анализ выведенных частиц по импульсу, ис-

где L_nucl — ядерная длина, L_rad — радиационная

пользовав горизонтальный магнит. Для организа-

длина, равен всего 3 мкрад. Следует отметить, в

ции пучка частиц с узким интервалом импульсов,

ИФВЭ имеется значительный экспериментальный

как в магнитооптическом канале, можно применить

опыт работы с короткими внутренними мишеня-

схему вывода, где между мишенью и кристаллом

ми [18,19]. Твердотельные бериллиевые мишени мо-

расположен магнит, отклоняющий частицы в плос-

гут выдерживать нагрузки 10¹¹ протонов в секун-

кости, ортогональной по отношению к плоскости

ду. Несомненно, струйные мишени могут выдержать

отклонения кристалла. Особенности формирования

большие интенсивности пучка. При достаточно тон-

пучка с узким интервалом импульсов p поясняются

кой мишени (толщина мишени может регулировать-

279

Г. И. Бритвич, А. А. Дурум, М. Ю. Костин и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

сигналов сцинтиллятора-мишени CsI, миниатюрно-

го счетчика S вблизи кристалла, сравнимого по раз-

мерам с сечением кристалла, и годоскопа H, распо-

p T

ложенного на удалении от кристалла. При канали-

ровании в кристалле в ячейке годоскопа, куда попа-

дал отклоненный кристаллом пучок, возникал пик

сигнала.

На рис. 8 показана зависимость количества от-

1.5 м

7м

клоненных на полный угол частиц от угла ϑ пово-

рота кристалла в гониометре. Около 14 ± 3 % прото-

Рис. 6. Схема опыта: T — мишень из CsI; Cr — кристалл

нов отклонялись на полный угол 3.4 мрад, соответ-

в гониометре; S — миниатюрный сцинтиллятор; V M —

ствующий изгибу кристалла. Ширина ориентацион-

вертикальный магнит; H — сцинтилляционный годоскоп

ной кривой на рис. 8 FWHM = 105 мкрад. Этот

узкий угловой интервал, в котором виден откло-

ся давлением газовой струи), порядка 1 мг/см², вре-

ненный пучок, соответствует геометрическим пара-

мя вывода полной интенсивности пучка 10¹³ частиц

метрам опыта, когда вращающийся кристалл «смот-

составляет 10 с (с учетом времени одного оборота

рит» на мишень. Достигнутые параметры согласу-

0.1 мс при длине тоннеля БАК 30 км). Заметим, что

ются с результатами компьютерного моделирования

выделяемая мощность в тонкой мишени даже при

опыта, выполненного методом Монте-Карло с при-

такой интенсивности циркулирующего пучка соста-

менением алгоритма работы [12], в котором учиты-

вит всего 30 Вт, что не выглядит фантастично. Ос-

ваются геометрия расположения мишени и кристал-

новной технической проблемой будет защита обо-

ла, захват частиц в режим каналирования и дека-

рудования после мишени, однако в ЦЕРН имеется

налирование внутри кристалла. Согласно расчетам,

опыт организации коллиматоров для большой ин-

16 % частиц должно отклоняться на полный угол.

тенсивности пучка [20].

Второй этап опыта проводился с включенным

вертикальным магнитом V M (см. рис. 6) и уже

настроенным на режим каналирования с помощью

3. ОПЫТ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ПУЧКА

протонного пучка кристаллом. При включении вер-

ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ С ПОМОЩЬЮ

тикального магнита между кристаллом и детекто-

КРИСТАЛЛА

ром мы настроились на вторичные частицы, в основ-

Как было отмечено, фокусирующие кристаллы

ном π-мезоны в интервале импульсов от 18±3 ГэВ/c.

были неоднократно тестированы на протонных пуч-

Для этого годоскоп был смещен по вертикали на

ках. Здесь сообщаются результаты демонстрацион-

17 см, т. е. на расстояние, соответствующее повороту

ного опыта по формированию пучка пионов и као-

в магните частиц с импульсом 18 ГэВ/c (при этом

нов кристаллом на канале 4а ускорителя ИФВЭ.

пространственное разделение с протонным пучком

Схема опыта представлена на рис. 6. На рис. 7

составило 11 см, что составляет приемлемую вели-

показаны основные элементы установки. Настрой-

чину для фоновых условий). В этих условиях на

ка фокусирующего кристалла в режим каналиро-

годоскопе измерили ту же ориентационную кривую

вания была осуществлена на протонном пучке, как

(когда кристалл «видит» мишень), но уже для вто-

это было сделано в работе [10]. Был создан то-

ричных частиц (точки и кривая 3, на рис. 8) и

чечный источник расходящегося пучка протонов с

определили выход частиц. Оказалось, что мы откло-

энергией 50 ГэВ. Это было сделано на основе ак-

нили кристаллом пучок интенсивностью 0.001 % на

тивной мишени в виде тонкой пластины (толщиной

каждый падающий на мишень протон, что соответ-

150 мкм, длиной 20 мм и высотой 10 мм) из тяжело-

ствует расчету упомянутой работы [12]. Эта вели-

го сцинтиллятора CsI. Пучок протонов был «распу-

чина примерно на порядок уступает магнитооптиче-

шен» до необходимой величины угловой расходимо-

ским каналам У-70. Но это объясняется неоптималь-

сти σ_x = 0.36 мрад (или FWHM = 0.92 мрад — пол-

ностью кристаллической оптики для относительно

ная ширина на полувысоте). Фокусирующий кри-

низкой энергии первичного пучка протонов с энер-

сталл из кремния ориентации (111) имел ширину

гией 50 ГэВ, когда размер кристалла мал, чтобы

2 мм, рабочую высоту 20 мм и длину 25 мм. Угол

захватить в режим каналирования заметную часть

изгиба был равен 3.4 мрад, а фокусное расстояние

вторичных частиц, разлетающихся с мишени на де-

1.5 м. Статистика событий велась для совпадений

сятки миллирадиан.

280

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

Новый способ получения пучков вторичных частиц...

Рис. 7. Внешний вид основных элементов установки: а — активная мишень для рождения π-мезонов; б — фокусирующий

кристалл в гониометре; в — сцинтилляционный годоскоп на многоканальном ФЭУ для регистрации эффекта

Финансирование. Работа поддержана Российс-

ким научным фондом (грант № 17-12-01532).

1200

ЛИТЕРАТУРА

800

1. A. Dainese, M. Diehl, P. Di Nezza et al., CERN-PBC-

REPORT-2018-008.

400

2. J. P. Lansberg, V. Chambert, J. P. Didelez et al.,

http://arxiv.org/pdf/1207.3507.pdf.

-120

-80

-40

120

3. S. J. Brodsky, F. Fleuret, C. Hadjidakis, and

J. P. Lansberg, http://arxiv.org/pdf/1202.6585.pdf.

, мкрад

4. Klaus G. Steffen, High Energy beam Optics, Vol. 17,

Рис. 8. Ориентационные зависимости количества откло-

Intersci. Publ. (1965).

ненных кристаллом частиц кривая 1 с точками — экспе-

римент для протонов; кривая 2 — расчет для протонов;

5. В. П. Карташев, В. И. Котов, Методы формирова-

кривая 3 с точками — эксперимент для вторичных частиц

ния пучков частиц на ускорителях высоких энер-

гий, Энергоатомиздат, Москва (1989).

6. M. A. Гордеева, М. П. Гурьев, А. С. Денисов и др.,

Ситуация кардинально меняется для высоких и

Письма в ЖЭТФ 54, 485 (1991).

ультравысоких энергий ТэВ-диапазона, где на пер-

7. V. I. Baranov, V. M. Biryukov, A. P. Bugorsky et al.,

вое место выходит величина магнитного поля, в на-

Nucl. Instr. Meth. B 95, 449 (1995).

шем случае — электростатического поля кристалла,

8. А. Г. Афонин, В. И. Баранов, В. Т. Баранов и др.,

которое эквивалентно магнитному полю 1000 Тл для

Письма в ЖЭТФ 96, 467 (2012).

поворота частиц.

9. W. Scandale, G. Arduini, M. Butcher et al., Phys.

Таким образом, в работе теоретически и экспе-

Lett. B 733, 366 (2014).

риментально показаны возможности новой оптики

пучков частиц высоких энергий на кристаллических

10. А. Г. Афонин, Г. И. Бритвич, А. П. Бугорский и

фокусирующих элементах.

др., Письма в ЖЭТФ 104, 9 (2016).

281