Гнутые кристаллы для модернизации LHC

Рис.1. Лазерное тестирование гнутого кристалла в рамках эксперимента LUA9. Фото с сайта cdsweb.cern.ch

ЦЕРН — это многоцелевая лаборатория, и, параллельно с работой Большого адронного коллайдера и других физических экспериментов, в ней создаются новые ускорительные и детекторные технологии. Некоторые из них будут спустя несколько лет реализованы на модернизированном LHC, а другие смогут найти разнообразные практические применения.

Одна из разрабатываемых сейчас технологий касается использования гнутых кристаллов в качестве коллиматоров. Напомним, что коллиматоры на ускорителе — это массивные блоки, которые пододвигаются вплотную к протонному пучку и чистят его, поглощая (а точнее, уводя прочь) протоны, которые «отбились» от коллектива (так называемое гало пучка). Такая чистка пучка — абсолютно необходимый этап рабочего цикла ускорителя. Нынешняя система коллиматоров LHC, конечно, справляется со своей задачей, но ценой довольно большой дозы радиации, которую получает аппаратура сразу за ними. Ведь попавшие в коллиматор протоны не столько поглощаются, сколько порождают на выходе целый ливень частиц меньшей энергии, и этот ливень тоже надо поглощать вторичными и даже третичными коллиматорами.

Оказывается, миниатюрные гнутые монокристаллы (рис. 1) способны радикально улучшить эту систему. Благодаря эффектам каналирования и объемного отражения они аккуратно отводят протоны в нужную сторону, не вызывая ливней (рис. 2). Правда, возникает вопрос: а выдержит ли находящийся под сильной механической нагрузкой кристалл такой большой поток протонов?

Рис.2. Схема, поясняющая преимущество коллиматоров на гнутых кристаллах (справа) по сравнению с обычной схемой (слева). Изображение из статьи коллаборации LAU9

Для выяснения этого вопроса в ЦЕРНе была создана группа, которая ставила кристалл под мощный (50 трлн частиц!) пучок 450-ГэВных протонов в ускорителе SPS (эксперимент UA9, позднее — LUA9). В нормальном режиме работы, конечно, столь больших потоков быть не должно; этот эксперимент моделировал лишь максимально опасную для кристалла нештатную ситуацию. Кристалл такой удар выдержал. Кроме того, этой группе удалось также ориентировать кристаллы относительно оси пучка с нужной точностью — еще одна нетривиальная инженерная задача, с которой техники с честью справились. Подробности см. в заметках в журналах Symmetry и CERN Bulletin.

Благодаря этим обнадеживающим результатам группа LUA9 получила допуск к Большому адронному коллайдеру. В 2014 году она протестирует новый прототип коллиматора прямо в ускорительном кольце LHC. Если всё пойдет по плану, то спустя несколько лет начнется установка этих коллиматоров на коллайдере.