لقد وجد الفيزيائيون طريقة للحفاظ على استقطاب البروتونات عند تسريعها في النيوكلوترون

كل بروتون له زخمه الزاوي الخاص به – الدوران. عندما يتم تسريع البروتونات بواسطة مغناطيسات كهربائية قوية إلى مدار دائري، فإن دورانها يتعرض لاضطرابات عديدة في المجال الكهرومغناطيسي. في الطاقات التي يتزامن فيها تردد حركة الدوران مع ترددات الحركة المدارية، ينشأ ما يسمى بالرنين الدوراني – ويمكن فقدان الاستقطاب، أي الاتجاه التفضيلي للدوران في الحزمة. يعد مجمع NICA (مرفق مصادم الأيونات القائم على النيوكلوترون) في دوبنا أكبر مشروع روسي في مجال الفيزياء النووية ودون النووية. قلبها هو السنكروترون النيوكلوتروني فائق التوصيل، الذي يسرع الجسيمات إلى زخم قدره 12 GeV/c. يعمل النيوكلوترون كحاقن للجسيمات في حلقات مصادم NICA وكموقع تجريبي مستقل. بعد حقن الأيونات الثقيلة في المصادم للتجارب في كاشف MPD، يكون النيوكلوترون خاملاً في معظم الأوقات. هذه هي المرة التي يمكن استخدامها للتجارب مع البروتونات المستقطبة على الأهداف الداخلية والخارجية، ولكن فقط إذا كان من الممكن تمرير الشعاع عبر جميع الأصداء الدورانية دون فقدان الاستقطاب الثمين. في نطاق نبض النيوكلوترون، يمر شعاع البروتون عبر نوعين من الرنين السبيني: الرنين الداخلي بسبب ارتباط حركة السبين مع تذبذبات البيتاترون لحزمة البروتون، وأصداء العيوب الهيكلية المرتبطة بعدم دقة محاذاة وتصنيع العناصر المغناطيسية للسينكروترون. والأكثر خطورة هي الرنينات الأربعة الداخلية و22 عددًا صحيحًا، والتي يمكن فقدان الاستقطاب عند كل منها. منظر عام لمجمع NICA في دوبنا، بما في ذلك حلقة النيوكلوترون. BM@N / BM@N هي تجربة “المادة الباريونية في النيوكلوترون”. هذا هو أول تركيب تشغيلي لمشروع NICA، الذي يدرس تفاعلات الأيونات الثقيلة النسبية مع هدف ثابت وخصائص المادة الباريونية الكثيفة / © JINR / JINR تم اقتراح فكرة الثعبان السيبيري في السبعينيات من قبل فيزيائيي نوفوسيبيرسك. المبدأ بسيط للغاية: إذا قمت بإدخال جهاز مغناطيسي خاص في قسم مستقيم من المسرع، والذي يقوم بتدوير دوران البروتون بدقة 180 درجة حول محور يقع في مستوى السنكروترون، فإن شروط الرنين لم تعد مستوفاة. يبدو أن الدوران “ينعكس” بعد مرور الثعبان عند كل دورة، ولا يحدث تراكم رنيني للاضطرابات. يعد الثعبان الكامل حلاً مثاليًا، ولكنه يتطلب مجالًا مغناطيسيًا قويًا ومساحة حرة كافية، وهو ما لا يكون عادةً كافيًا في مسرع تم إنشاؤه بالفعل. اقترح مؤلفو الورقة البحثية المنشورة في مجلة JETP Letters نهجًا وسطًا: ثعابين سيبيرية جزئية لا تدور دورانها بزاوية 180 درجة كاملة، ولكن بزاوية أصغر. وهذا يكفي لتحويل تردد حركة الدوران بعيدًا عن القيم المقابلة للرنين الداخلي والأعداد الصحيحة، وبالتالي حماية الاستقطاب. الميزة الرئيسية للثعبان الجزئي هو تصميمه المدمج، الذي يتناسب مع هيكل النيوكلوترون. إيفجيني تسيبلاكوف، طالب دراسات عليا في MIPT وموظف في JINR: “عندما بدأنا هذا العمل، كان السؤال الرئيسي هو: هل من الممكن تركيب ثعبان جزئي ملف لولبي قوي بما فيه الكفاية في الفجوات المستقيمة الموجودة في النيوكلوترون؟ اتضح أن الملفات اللولبية الديناميكية فائقة التوصيل، التي تم إنشاؤها في JINR بناءً على كابل مصنوع من سبائك النيوبيوم والتيتانيوم، توفر مجالًا مركزيًا يصل إلى 5.6 تسلا وتسمح بتغيير قيمة المجال. بسرعة حوالي 1 ت/ث، وهذا هو بالضبط ما هو مطلوب: يجب أن ينمو الحقل الثعباني بشكل متزامن مع نبضة الشعاع لتوفير ظروف مستقرة لتذبذبات البيتاترون طوال دورة التسارع بأكملها. قام العلماء بفحص خيارين لتصميم الثعبان الجزئي. الأول هو دون تعويض اقتران تذبذبات البيتاترون: اثنان من الملفات اللولبية، طول كل منهما 2.8 متر، يقعان في الفترة الفائقة الثانية من النيوكلوترون، يخلقان مجالًا طوليًا متكاملاً يبلغ 28 تي متر مكعب، وهو ما يعادل حوالي 60 بالمائة من الثعبان. الخيار الثاني هو تعويض الاقتران، أي منع “خلط” الأوضاع الأفقية والرأسية لتذبذبات البيتاترون. ويستخدم أربعة ملفات لولبية أقصر (1.2 متر لكل منها) مع تكامل إجمالي قدره 24 T · m (حوالي 50٪ ثعبان)، تكملها أربع عدسات رباعية الأقطاب تدور بمقدار ±45 درجة. رسم تخطيطي لموقع ثعبان لولبي جزئي في النيوكلوترون، يشير إلى مواقع حقن الشعاع والخروج / © JETP Letters أكدت محاكاة ديناميكيات الدوران أثناء تسارع البروتون فعالية كلا الخيارين المقترحين. أكد يوري فيلاتوف، رئيس مختبر فيزياء المسرعات في MIPT وأحد مؤسسي إدخال الثعابين السيبيرية في مجمع مسرعات NICA: “من المهم ألا تتطلب مخططاتنا إعادة هيكلة جذرية للنوكوترون. تتلاءم الملفات اللولبية مع الفجوات الحرة، ويتيح التحكم الميداني الديناميكي تثبيت الخصائص البصرية للشعاع أثناء التسارع. من المهم بشكل أساسي أن تسمح هذه الملفات اللولبية بالحقن الدوري السريع من البروتونات المستقطبة في مصادم NICA لتحقيق لمعان تصميم الحزم المتصادمة. ومع ذلك، فإن الحفاظ على الاستقطاب أثناء التسارع لا يمثل سوى نصف المهمة. لإجراء تجربة كاملة، من الضروري أيضًا التحكم في اتجاه الدوران، وتوصيل البروتونات ذات الاتجاه الطولي أو العرضي أو أي اتجاه استقطاب محدد آخر إلى الهدف. ولهذا الغرض، اقترح المؤلفون جهازًا دوارًا يدور بمدار ثابت، ويتم وضعه في قناة نقل الشعاع إلى الغرفة التجريبية. يتكون الدوار من مغناطيس ثنائي القطب وملفات لولبية، حيث تنمو مجالات ثنائي القطب بما يتناسب مع زخم الحزمة، مما يجعل المدار ثابتًا. من خلال تحديد قيم المجالات الطولية والعرضية، من الممكن الحصول على أي اتجاه للاستقطاب في المستوى الرأسي على الهدف الخارجي عبر نطاق الزخم بأكمله: 2–12 GeV/c. هناك نهج بديل وأكثر اقتصادا لبعض الطاقات. في رنينات الدوران الصحيحة الموجودة بزيادات تبلغ حوالي 523 ميجا فولت، يمكن تغيير اتجاه الاستقطاب مباشرة داخل النيوكلوترون – باستخدام ما يسمى بملاحات الدوران المستندة إلى المجالات المغناطيسية الضعيفة. يعمل هؤلاء الملاحون – وهما ملفان لولبيان ضعيفان إضافيان – على تثبيت أي اتجاه للدوران في مستوى النيوكلوترون في أي مكان في مداره. وهذا يجعل من الممكن تغيير اتجاه الاستقطاب على كل من الأهداف الداخلية والخارجية، دون اللجوء إلى تركيب محور دوران ضخم في قناة النقل. ديناميكيات مكونات دوران البروتون أثناء التسارع في النيوكلوترون مع ثعبان جزئي: يتم الحفاظ على الإسقاط على المحور n عند مستوى أعلى من 99.5٪ / © JETP Letters يمكن إجراء تجارب الحزم المستقطبة في النيوكلوترون على أهداف خارجية وداخلية بشكل مستقل أو بالتوازي مع عمل مصادم NICA عند إجراء الأبحاث باستخدام حزم الأيونات الثقيلة، مما سيوسع بشكل كبير برنامج البحث الأساسي في مجمع فيزياء الدوران.