Предложен новый способ охлаждения протонных пучков высоких энергий

Схематичная иллюстрация метода электронного охлаждения за счет модуляции плотности. Этапы 1-4, слева направо: (1) протоны с разбросом по энергии погружены в электронное облако, (2) каждый протон локально искажает плотность электронного облака, (3) специальная секция с сначала разводит, а потом со сдвигом вновь соединяет электроны и протоны, (4) каждый протон оказывается в условиях, которые зависели от его собственной энергии. Модуляция электронной плотности выравнивает энергии протонов

Перед тем как проводить столкновения частиц высокой энергии, пучки необходимо не только получить и ускорить до нужной энергии, но и охладить. «Охладить» в этом случае означает подавить беспорядочное колебание частиц относительно идеальной траектории и средней энергии пучка. Охлаждение позволяет уменьшить разброс энергий отдельных частиц и увеличить светимость коллайдера, а значит, резко повышает научную ценность столкновений.

Если охлаждение электронных пучков — занятие довольно простое, то с протонами приходится помучаться. Стандартные методики либо работают для небольших энергий, либо имеют существенные недостатки. Поэтому в современных протонных коллайдерах, в частности на LHC, охлаждение происходит только в самом начале всей цепочки подготовки пучков. В главном ускорительном кольце LHC слишком «разбредшиеся по сторонам» протоны уже не охлаждаются, а просто вырезаются коллиматорами.

Можно ли научиться охлаждать протонные пучки при энергиях LHC? В принципе, некоторые методики сейчас существуют (см. предложение 2009 года) и уже тестируются, но и они не лишены недочетов. На днях в журнале Physical Review Letters вышла статья Microbunched Electron Cooling for High-Energy Hadron Beams, описывающая другой метод, свободный от этих недостатков.

Вкратце, в таких методах протоны охлаждаются за счет погружения в сопровождающее их облако электронов. Для эффективного охлаждения это облако электронов должно быть не однородным, а с модуляцией плотности. Благодаря ей внутри облака возникают электрические силы, которые будут направлять протоны так, как нужно. В статье предлагается способ, как такую модуляцию можно получить.

Отличительной особенностью этого метода является то, что, образно выражаясь, электроны подправляют каждый протон индивидуально. Автор работы показывает в простых одномерных вычислениях, что с помощью трехэтапного устройства (см. рисунок) те искажения, которые каждый протон вносит в электронное облако, можно обратить против самого же протона.

Если более детальные расчеты подтвердят справедливость идеи и если она действительно заработает «в железе», она может заметно увеличить научную отдачу LHC и других адронных коллайдеров.