Создание поляризованной водороднодейтериевой газовой мишени для эксперимента ANKE на внутреннем пучке накопительного кольца ускорителя COSY

В настоящее время одним из перспективных направлений в ядерной физике является изучение структуры и различных свойств ядерной материи на расстояниях порядка или меньше радиуса нуклона. Многообразие ускорителей по всему миру позволяет провести ряд экспериментов, направленных на изучение свойств элементарных частиц при взаимодействии их в довольно широком диапазоне импульсов. Создание ускорительного пучка определенной поляризации (т.е. с упорядоченным направлением спина частицы) и возможность использования в области взаимодействия пучка поляризованных мишеней расширяет круг возможных исследований. Так, например, на одном ускорителе заряженных частиц RHIC1 проводятся два больших совершенно независимых эксперимента, одной из задач которых является изучение поляризационных наблюдаемых спина. В эксперименте STAR2 [1], измеряется спин-зависимые структурные функции нуклонов и ядер с использованием продольно поляризованных протонных пучков с энергией в системе центра масс порядка 200 и 500 ГэВ. В настоящее время этот эксперимент является одним из самых больших в мире по физике элементарных частиц, посвященном исследованиям в области фундаментальной ядерной физики. Расположенный в том же научном центре эксперимент PHENIX3 [2] использует твердую поляризованную (продольно и поперечно) мишень и направлен на исследование соударений тяжелых ядер. С его помощью было обнаружено сильное подавление выхода адронов при больших поперечных импульсах.

В эксперименте рр2рр4 [3] изучается полное сечение и сечение упругого протон-протонного поляризованного и неполяризованного рассеяния в диапазоне высоких энергий. После столкновения протоны почти не отклоняются, оставаясь в узком телесном угле вблизи центра пучка, и не покидают камеры ускорителя, что создает дополнительные сложности при детектировании продуктов реакции. Однако сцинтилляционные детекторы, расположенные внутри камеры, позволяют измерять поляризацию сталкивающихся «желтого» и «синего» пучков коллайдера RHIC и.

1 Relativistic Heavy Ion Collider.

2 Solenoidal Tracker at RHIC.

3 Pioneering High Energy Nuclear Interaction Experiment.

4 Изучение упругого взаимодействия двух высокоэнергетичных протонов. отбирать совпадения, которые потом позволяют восстановить дифракционный конус в рассеянии протонов и значение его наклона.

Целью эксперимента COMPASS5 [4] в Церне является изучение реакций ассоциативного рождения адронов, т. е. изучается рассеяние поляризованных мюонов на легких ядрах. Кроме этого можно исследовать продольную поляризацию, наблюдаемую в процессе глубоко-неупругого рассеяния. В настоящее время этот эксперимент находится на стадии сбора статистики и анализа полученной информации.

В области средних и низких энергий известны несколько больших экспериментов, изучающих спиновую структуру. Одним из них является эксперимент EDDA [5], расположенный на накопительном кольце ускорителя COSY. При энергиях протонного пучка 0.5 + 2.5 ГэВ проводится эксперимент с поляризованной струйной мишенью. Полученные результаты в диапазоне углов центра масс рассеянных протонов 30 + 90° с шагом 5° демонстрируют некоторое несоответствие с теоретическими результатами из базы данных SAID [б]. Это еще раз подтверждает, что в настоящее время нет единой теоретической модели, полностью описывающей все результаты, полученные в поляризованных экспериментах, поэтому пополнение любыми новыми результатами может помочь в дальнейшем развитии.

Для более детального описания нуклон-нуклонных взаимодействий, классическим примером которых является эксперимент по развалу дейтрона при моменте относительного импульса движения нуклонов внутри ядра q = 0.3 + 0.5 ГэВ/с, можно использовать существующую систему детекторов эксперимента ANKE на ускорителе COSY. Для этого необходимо создать поляризованную мишень высокой плотности и использовать ее области пересечения с пучком ускорителя заряженных частиц. Примером может служить двойной поляризационный эксперимент с использованием поляризованной газовой водороднодейтериевой мишени и поляризованного пучка COSY.

Одним из возможных способов создания газовых мишеней является использование источника атомарных пучков (ABS6). Изначально такие источники, производившие поляризованный пучок атомов водорода, разрабатывались для создания поляризованных протонных пучков на ускорителях. Но было замечено, что их можно использовать как мишень, бомбардируя сфокусированный пучок атомов газа пучком ускорителя. В силу конструкции источников, описанной в главе 1.2, можно создавать.

5 COmmon Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy.

6 Atomic Beam Source. газовые мишени с плотностью порядка 1011 см'3 для ускоренного пучка ускорителя диаметром 1 см. Такие мишени получили название струйных.

Дальнейшее развитие газовых мишеней потребовало увеличения их плотности, что было достигнуто с использованием накопительной ячейки, предложенной Хаберли в 1966 году [7]. Стандартная накопительная ячейка представляет собой Т-образную трубку, в которой создается облако газа источника ABS. Открытая с обеих сторон трубка для ускорительного пучка не разрушает его и позволяет проводить измерения с циркулирующим от нескольких минут до нескольких часов пучком, в зависимости от плотности мишени и размеров трубки. Такой подход к. созданию газовой мишени позволяет увеличить ее плотность на два порядка по сравнению со струйной мишенью того же источника.

Впервые накопительная ячейка была установлена и использовалась в эксперименте на электронном ускорителе ВЭПП-3 (Новосибирск) [8], для определения тензорной анализирующей способности Тго электрон-дейтронного упругого рассеяния. Применение накопительной ячейки увеличило плотность мишени в 15 раз, а специальное силиконовое покрытие стенок «Drifilm» [9] и слабое магнитное поле вокруг ячейки, созданное дополнительными катушками вокруг ячейки, позволило поддерживать тензорную поляризацию дейтериевого пучка источника. Во время проведения эксперимента после множественных столкновений атомов со стенками ячейки наблюдаемая поляризация дейтериевой мишени составляла Pzz = 0.572 ± 0.053, тогда как в лабораторных условиях для струйной мишени она была выше и превышала Pzz > 0.9.

После первого успешного использования накопительной ячейки началось ее применение и в других экспериментах на ускорителях заряженных частиц, одним из них является эксперимент HERMES [10], [11] на позитронном пучке HERA ускорителя DESY (Гамбург, Германия). Для создания поляризованных газовых мишеней использовались водород, дейтерий, гелий, тритий. За время эксплуатации источника на эксперименте были проведены исследования спиновых структур нуклона. В данный момент источник поляризованных атомов, использовавшийся в этом эксперименте на протяжении десяти лет, демонтирован [12] и планируется его использование в рамках эксперимента PAX7 [13].

Спектрометр ANKE8 расположенный на накопительном кольце ускорителя COSY9 (научно-исследовательский центр г. Юлих, Германия) на данный момент.

7 Polarized Antiproton experiments.

8 Apparatus for studies of Nucleon and Kaon Ejectiles.

11 является единственным в мире, где возможно проведение двойного поляризационного эксперимента (dp-^ppn [14], [15]) с использованием поляризованной мишени и поляризованного пучка заряженных частиц ускорителя. В рабочем диапазоне энергий COSY, можно определить векторную и тензорную анализирующие способности и спин-корреляционные параметры протонов и дейтронов. Также этот эксперимент позволит получить новую информацию о структуре волновой функции дейтрона, поскольку поляризационные наблюдаемые (A*, A*, A^C^fC^) зависят от отношения Sи^{-компонент} волновой функции. Принимая во внимание особенности спектрометра ANKE [16], эксперимент можно провести в условиях коллинеарной геометрии: протоны, испущенные назад, близко к 180″ будут регистрироваться в совпадении с протонами, испущенными вперед под малыми углами (близко к 0'). В такой геометрии Sи D-волновые функции дейтрона могут быть изучены вплоть до внутреннего момента 0.5 ГэВ/с.

Эффективное использование ускорительного времени — одна из основных задач при подготовке и проведении эксперимента. Для ее выполнения необходима не только мишень с высокой плотностью и низкой деполяризацией атомов вдоль накопительной ячейки, но и хорошо сфокусированный интенсивный пучок ускорителя. Оптимизация этих параметров позволит обеспечить высокую светимость в эксперименте.

Основной задачей данной работы являлось создание поляризованной водороднодейтериевой газовой мишени с накопительной ячейкой для экспериментов на спектрометре ANKE с использованием источника поляризованных атомов и поляризованного пучка ускорителя COSY. Помимо создания поляризованной газовой мишени необходимо было провести серию работ, направленных на оптимизацию параметров пучка ускорителя в секции эксперимента ANKE.

В процессе подготовки к созданию накопительной ячейки был проведен ряд экспериментов на ускорителе в районе установки мишени на эксперимент ANKE. В результате была значительно улучшена интенсивность и повышена плотность ускорительного пучка при использовании накопительной ячейки. Также была проведена оптимизация поперечного сечения накопительной ячейки, что позволило создать мишень максимальной плотности с высоким коэффициентом поляризации и провести первый в мире эксперимент на поляризованном дейтроном пучке с использованием поляризованной водородной газовой мишени.

9 COoler SYnchrotron, Forschungszentrum Jiilich, Germany.

В работе рассматривается создание установки и ее использование в экспериментах, направленных на определение характеристик пучка ускорителя COSY в камере установки мишеней на эксперимент ANKE. Также описывается проведение исследования магнитных полей в районе установки мишени, его влияние на компоненты ABS, свойства создаваемого пучка и измерительную систему поляриметра (LSP10) [17], работающего на эффекте лэмбовского сдвига. Объясняется калибровка существующей системы подачи неполяризованных газов (Н2, D2, N2, Не), и ее использование, в процессе создания неполяризованной газовой мишени с накопительной ячейкой по плотности эквивалентной поляризованной мишени, создание и использование в эксперименте поляризованной газовой мишени.

Основными результатами подготовительной работы является проведение экспериментов на ускорителе COSY в районе установки мишеней для эксперимента ANKE. В ходе подготовки к проведению двойного поляризационного эксперимента с использованием поляризованного пучка ускорителя и поляризованной газовой внутренней мишени, были проведены исследования профиля пучка в месте установки мишени. Это позволило сделать количественную оценку предполагаемой плотности мишени и ввести коррективы в прототипы накопительных ячеек. Для предварительных экспериментов с различными ускорительными пучками было создано несколько отличающихся по геометрической форме, внутреннему покрытию и использованному типу газа мишеней. Окончательный прототип был использован в эксперименте с поляризованным протонным пучком COSY и поляризованной водородной мишенью, созданной с помощью ABS. Создание поляризованной мишени для ускорителя COSY открывает дополнительные возможности для проведения экспериментов со спектрометром ANKE.

10 Lamb-Shift Polarimeter.

Основные результаты опубликованы в работах: [25], [35], [47], [55], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65].

Табл.13.

Сравнительные характеристики существующих источников поляризованных атомарных пучков с накопительными ячейками.

Источник —-^(ускоритель) Параметры ANKE (COSY) AmPs (NIKHEF) / BLAST (MIT) PINTEX (IUCF-Cooler) FILTEX (Heidelberg) / HERMES (HERA) ДЕЙТРОН (ВЭПП-3).

Накопительная ячейка Размеры впускной трубки, мм 015×130 012×123 05×130 010×147 24×13×342 овальная.

Размеры трубки вдоль пучка ускорителя, мм 15×20×390 прямоугольная 015×600 08×254 10×20×400 овальная 13×24×400 овальная.

Температура, К 300 70−130 300 60−100 100.

Интенсивность источника, 1016 ат/с Водород 7.5 6.4 / 5.5 6.7 8.1/6.5 7.9.

Дейтерий 4 4.5/ - 5.2 8.2.

Плотность мишени, 1013 см" 2 Водород 2.8* 11** 3.5* 9,6**/ 11**.

Дейтерий — 12 — 21 8.

Поляризация в накопительной ячейке Водород 0.79±0.07 0.65±0.08 (векторная) 0.740±0.013 0.78±0.05.

Дейтерий — 0.78±0.07 (векторная) — 0.845±0.028 (векторная) 0.397±-0.013(стат)±- 0.018(сист) (тензорная) — для одного сверхтонкого состояния водорода. — для двух сверхтонких состояний водорода. — для струйной мишени без накопительной ячейки.

Благодарности.

Мне хотелось бы выразить огромную благодарность своим научным руководителям — Александру Анатольевичу Васильеву и Франку Ратманну, стоявшим у истоков создания ABS, за помощь процессе работы, внимательное руководство и всестороннюю поддержку.

Хочется поблагодарить всех сотрудников лаборатории за доверие, возможность заниматься любимым делом, конструктивные советы и неоценимую помощь в подготовке всей системы в целом. Благодарю Максима Сергеевича Микиртычьянца, Петра Андреевича Кравцова, Виктора Алексеевича Трофимова за внимание к работе, дружескую обстановку и плодотворные дискуссии.

Отдельно хотелось поблагодарить коллег из института ядерной физики научно-исследовательского центра г. Юлих (Германия) — Хельмута Зайферта, Франка Ратманна, Ральфа Энгельса и Ханса Штроера за их гостеприимство и поддержку в работе. Также отдельную благодарность хотелось бы выразить коллегам из ускорительного отделаДитеру Празуну, Берндту Лоренцу, Ральфу Гебелю за совместные ночные смены, посвященные настройке и восстановлению ускорителя после сбоев.

Заключение

.

Основной задачей данной работы являлось создание накопительной ячейки для внутренней газовой поляризованной водородно-дейтериевой мишени и использование ее в экспериментах ANKE на накопительном кольце ускорителя COSY. Наиболее значимым из проведенных экспериментов являлся двойной поляризационного эксперимент с поляризованным дейтронным пучком с энергией 1.2 ГэВ и поляризованной газовой водородной мишенью.

Для создания накопительной ячейки был проведен следующий комплекс работ на ускорителе COSY:

• создание системы поддержки и позиционирования накопительной ячейки внутри камеры ускорителя в районе эксперимента ANKE, которая использовалась во всех тестах и сеансах на ускорителе COSY;

• измерение профиля ускорительного пучка в камере для установки мишеней на различных этапах его формирования, использованного для оценки минимальных размеров накопительной ячейки;

• оптимизация параметров пучка ускорителя на этапе инжекции и после ускорения через протяженную накопительную ячейку;

• совместное использование всех возможных способов охлаждения пучка ускорителя COSY во время работы с газовой мишенью позволило достичь высокой интенсивности пучка после инжекции;

• проведение измерений со струйной поляризованной газовой мишенью, создаваемой источником ABS;

• проведение измерений с калиброванными молекулярными водородными и азотными мишенями, позволившее снизить фоновые загрузки и сделать проверку метода определения поляризации для протяженной мишени.

Результаты экспериментов, направленных на измерение профиля пучка COSY, и одновременное применение различных методов для увеличения плотности пучка позволили найти оптимальные настройки магнитной системы ускорителя, повысив тем самым на порядок интенсивность пучка не только в экспериментах с внутренней газовой мишенью, но и в других экспериментах, проводимых на ускорителе.

Кроме создания накопительной ячейки для экспериментов было необходимо установить на ускоритель источник поляризованных атомов и провести с ним тестовые измерения. Сложность заключалась в том, что сильные поля в районе эксперимента ANKE, создаваемые отклоняющим и спектрометрическим магнитами могли не только снизить поляризацию, но и сделать невозможным использование источника атомарного поляризованного пучка. Для этого было проведена серия измерений магнитных полей вдоль оси распространения пучка в источнике поляризованных атомов и камере для установки мишеней (от точки создания поляризации до пересечения с пучком ускорителя COSY). Они показали, что при максимально возможном поле в районе эксперимента ANKE отсутствует возможность деполяризации атомов за счет прохождения через область с нулевым полем.

Во время разработки накопительной ячейки, использованной в эксперименте с двойной поляризацией, использование первых прототипов проводилась с применением системы подачи неполяризованного газа. Во время этих экспериментов были выполнены следующие задачи:

• оптимизация системы передвижения накопительной ячейки и набора измерительных диафрагм;

• создание программы оперативной обработки информации, которая облегчила процедуру настройки и оптимизации ускорителя;

• определение величины фоновых событий от взаимодействия пучка ускорителя со стенками мишени и поиск возможных способов уменьшения этого эффекта;

• проведение эксперимента с молекулярной водородной мишенью с поляризованным пучком ускорителя для нормировки системы детекторов и проверки эффективности метода реконструкции вершины реакции и определения поляризации.

Комплекс работ по взаимной оптимизации пучка и мишени позволил впервые в мире провести эксперимент с двойной поляризацией (dp -«ррп). Необходимо заметить, что в анализе данных был использован метод реконструкции вершины реакции для точечной мишени, что может снижать полученные значения поляризации, а также вносить дополнительные погрешности в определение поляризационных наблюдаемых.

Полученные из предварительного анализа данных величины поляризации внутренней газовой водородной мишени на данный момент является наивысшими среди газовых мишеней с использованием источника поляризованных атомов (Табл. 13). Это позволит при проведении будущих экспериментов более эффективно использовать ускорительное время, а создаваемая модель для протяженной мишени позволит сделать измерения поляризационных наблюдаемых более точными.

Таким образом, подводя итог, можно сказать, что в результате успешного создания накопительной ячейки для внутренней газовой мишени был проведен эксперимент с двойной поляризацией с энергией дейтронного пучка ускорителя 1.2 ГэВ, в результате чего была получена поляризация атомов водорода в накопительной ячейке 0.79 ± 0.07, а плотность газовой мишени составляла 1.3 • 10 ат/см .