Введение к работе
Актуальность
Радиационная поперечная поляризация ультрарелятивистских электронов и позитронов, движущихся в магнитном поле, теоретически предсказанная А.. А. Соколовым и И. М. Терновым, в настоящее время получена и эффективно используется в экспериментах на встречных пучках в накопителях. Для примера можно назвать прецизионные измерения масс векторных мезонов, выполненные на установках ИЯФ СО АН СССР, а также наблюдение угловой асимметрии адронных струй в процессах е+е- аннигиляции на накопителе SPEAR (Стэнфорд, США).
Практическому использованию радиационной поляризации может препятствовать деполяризующее воздействие погрешностей магнитной структуры накопителя. Даже относительно малые отклонения поля от идеального (например, вследствие неточной выставки фокусирующих элементов) при достаточно высокой энергии приводят к полной деполяризации пучка. Тенденция усиления деполяризующих эффектов с ростом энергии подтверждается результатами наблюдения радиационной поляризации на различных установках.
Таким образом в ускорительной практике возникла задача расчета и устранения деполяризующих факторов в магнитных системах конкретных накопигелей. Возможности по учету этих факторов в рамках существующей теории радиационной кинетики поляризации были продемонстрированы в работе Я С. Дербенёва, А. И. Кондратенко и А. Н. Скринского (1976 г.) на примерах накопителей с большим числом магнитных суперпериодов и статистически однородным распределением возмущений. Требовалось создать методы расчета деполяризующего влияния погрешностей в реальных магнитных системах, которые по своим свойствам могут значительно отличаться от простых аналитических моделей.
В традиционных накопителях спин прецессирует вокруг вертикального поля и естественным является поперечное направление поляризации. В физике высоких энергий значительно больший интерес представляет другая ситуация, когда направление поляризации пучков в местах встреч параллельно скорости частиц. Эксперименты с продольно-поляризованными пучками дадут возможность получать принципиально новую информацию, которую нельзя извлечь из экспе-эимэнтов с неполяризованными или поперечно поляризованными час-
- 4 -тицами.
Для организации динамически устойчивого продольного направления поляризации в накопитель необходимо ввести элементы с сильным радиальным и (или) продольным магнитным полем. В этом случае возможность получения радиационно поляризованных пучков существенно зависит от вида магнитной структуры накопителя, его фокусирующих свойств. К середине 70-х, в основном, было закончено построение замкнутой теории радиационной кинетики поляризации в накопителях с произвольными полями. Стало возможным перейти к разработке проектов получения продольно-поляризованных встречных пучков электронов и позитронов.
Впервые наиболее полно такие проекты были разработаны для накопителя ВЭПП-4 в связи с подготовкой перспективной программы физических исследований ИЯФ СО АН СССР. Рабочий диапазон энергий ВЗПП-4 является удобным для проведения ряда экспериментов по изучению физики слабых взаимодействий на гстречных продольно-поляризованных е+е- пучках (распадные свойства тау-лептонов, зависимость сечения рождения адронов от спиральности начальных частиц вблизи пси- и ипсилон-резонансов).
Диссертация посвящена задачам получения радиационной поперечной и продольной поляризации пучков в накопителях. В ее основе лежат результаты, полученные автором в Институте ядерной физики СО АН СССР в 1980-1984 гг. и тогда же опубликованные.
Цели работы, положенной в основу диссертации, состояли в следутцем:
-
Разработать методы расчета деполяризующего влияния погрешностей в магнитных структурах электрон-позитронных накопителей с жесткой фокусировкой. Предложить и осуществить меры по увеличению степени поляризации на ВЭ1Ш-4.
-
Провести эксперименты по изучению поляриаации на ВЭПП-4.
-
Разработать методику расчета кинетики поляризации в накопителях с сильными соленоидами. Разработать и рассчитать схему получения радиационным способом продольно-поляризованных встречных пучков на ВЭПП-4 при энергии 5 ГэВ.
-
Исследовать физические условия реализации и применения схемы "сибирская змейка" на основе сверхпроводящего соленоида для получения продольной поляризации частиц в электрон-позигрон-ном накопителе в области пси-резокансов и вблизи порога рож-
- 5 -дения тау-лептона.
Новизна полученных результатов.
-
Развиты методы вычисления деполяризующего влияния основных погрешностей поля в злектрон-позитрошшх накопителях с жесткой фокусировкой. Впервые проделан полный расчет влияния Еозмущений, имеющихся в действующей установке- ВЭГШ-4 (5 ГэВ).
-
Проведены эксперименты, в которых впервые наблюдалась зависимость интенсивности синхротронного излучения от направления спина.
-
Экспериментально исследована резонансная спиновая диффузия при воздействии встречной ТЕМ-волны на электронный (позит-ронный) пучок в накопителе. Результаты эксперимента хорошо согласуются с расчетом.
-
Развита методика численного анализа радиационной кинетики поляризации в накопителе, содержащем сильные соленоиды. Разработан первый физический проект получения радиационным способом продольно-поляризованных встречных электрон-пози-тронных пучков е накопителе (вариант модернизации экспериментального промежутка ВЭПП-4 на энергии 5 ГэВ).
-
Впервые исследованы физические условия реализации и эффективного применения способа получения продольной поляризации в схеме "сибирской змейки" с продольным магнитным полем
(на примере ВЭПП-4 в области 2 ГэВ и проекта шарм-тау фабрики ОИЯИ).
Значение проведенных исследований для теории и практики.
1. Разработана и отлажена программа для ЭВМ, позволяющая:
проводить анализ деполяризующих факторов и разрабатывать эффективные способы их устранения в существующих накопителях;
устанавливать допуски на точность изготовления магнитных систем проектируемых установок, в которых предполагается получать поляризованные пучки электронов и позитронов.
2. В результате обоснованных и осуществленных автором практи
ческих мер обеспечен стабильно воспроизводимый (слабозави-
сяший от неконтролируемых искажений замкнутой орбиты) уровень радиационной поляризации пучков около 60% в накопителе ЮПИ-4 в области энергии ипсилон-резонанса, где это было Еаж-ным для проведения эксперимента с использованием метода калибровки энергии частиц по частоте спиновой прецессии.
-
Разработан и отлажен алгоритм расчета на ЭВМ функции спинового отклика в магнитных структурах с жесткой фокусировкой. Вычислено азимутальное распределение этой функции при различных значениях энергии частиц в накопителях ВЭПП-4 и LEP. Знание функции спинового отклика необходимо при вычислении деполяризующего влияния радиального магнитного поля, его радиального градиента, а также поля встречного сгустка. Результаты расчета этой функции требуются при выборе оптимального местоположения в накопителе деполяризатора с поперечным полем, при вычислении времени преднамеренной деполяризации пучка.
-
Экспериментально показано, что наблюдение спиновой зависимости интенсивности СИ является эффективным способом измерения степени поляризации пучкоЕ в электрон-позитронных накопителях.
-
В экспериментах по измерению времени преднамеренной деполяризации пучка встречной ТЕМ-волной подтверждена надежность существующей теории, описывающей резонансную спиновую диффузию в накопителях. На основе этой теории рассчитываются деполяри-зационные процессы -при сверхвысоких энергиях и в поле встречного сгустка.
-
Экспериментально продемонстрировано влияние амплитуды и фазы спиновой гармоники локальных искажений замкнутой орбиты по вертикали на степень радиационной поляризации электронов в накопителе ВЭШ1-4 в соответствии с численными оценками. В дальнейшем методика коррекции спиновой гармоники эффективно применена для увеличения степени поляризации частиц на установках PETRA и HERA.
-
Развитая в диссертации методика анализа кинетики продольной поляризации в схемах с использованием сильных соленоидов
и найденные общие условия их оптимизации в виде соотношений для отдельных значений локальных параметров фокусировки являются достаточно универсальными и могут быть использованы
- 7 -при создании новых проектов в рамках программ поляризационных исследований в диапазоне энергий пси- и ипсилон-резонансов и вблизи порога рождения тау-лептона, в частности, на шарм-тау фабриках. Продольная поляризация встречных электрон-позитрон-ных пучков позволит получить ценную информацию о распадных свойствах тау-лептона и слабом взаимодействии с- и Ь-кваркоЕ.
Апробация работы
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Международном симпозиуме по поляризационным явлениям в физике высоких энергий (Дубна, 1981); VIII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1982); Рабочем совещании "Исследования спиновых явлений в физике высоких энергий (Протвино, 1982); XII Международной конференции по ускорителям на высокие энергии (Батавия, США, 1983); Семинаре "Спиновые явления в физике высоких энергий (Протвино, 1983); III Международной конференции по инструментализации в физике встречных пучков (Новосибирск, 1984); 2-ом Рабочем совещании по шарм-тау фабрике ОИЯИ (Дубна, 1993); на семинаре у профессора И. М. Тернова в московском государственном университете им. Ломоносова; на семинарах Института ядерной физики СО АН СССР. Кроме того, эти результаты опубликованы в сборниках трудов конференций, в виде препринтов и статей в научных журналах.