Ионизационное охлаждение — метод охлаждения пучков тяжёлых заряженных частиц в ускорителях, то есть сокращение поперечных импульсов частиц (эмиттанс пучка). Впервые предложен советскими физиками Г. Будкером и А. Скринским в 1970 году для проекта мюонного коллайдераResearch work on the colliding beams of the Novosibirsk Institute of Nuclear Physics (present state of experiments and perspectives) , G.I. Budker Proc. ICHEP-1970, Kiev, USSR, Intersecting Storage Rings at Novosibirsk , A.N. Skrinsky, Morges Seminar, 1971..
Принцип Идея метода заключается в создании силы трения для заряженной частицы высокой энергии при её прохождении через вещество за счёт его ионизации. Пучок пропускается сквозь мишень необходимой плотности, трение действует против импульса частицы, сокращая все его компоненты. Если компенсировать потери в последующей ускоряющей секции лишь в продольном направлении, происходит сокращение поперечных компонент импульсов. Аналогичным образом происходит охлаждение пучков за счёт радиационного затухания и методом электронного охлаждения, отличается лишь механизм создания силы трения. Метод ионизационного охлаждения можно использовать лишь для тяжёлых частиц, которые при взаимодействии с лёгким электроном в акте ионизации не отклоняются на большие углы и отдают лишь малую долю энергии. Тем не менее, даже тяжёлые частицы нельзя охладить методом ионизационного охлаждения в циклическом ускорителе из-за упругого кулоновского многократного рассеяния, создающего процесс, обратный охлаждению — диффузиюЭлектронное охлаждение и новые возможности в физике элементарных частиц , Г.И. Будкер, А.Н. Скринский, УФН 124 561–595 (1978)..
Мюонные коллайдеры Наиболее подходящими частицами для применения ионизационного охлаждения являются мюоныWhy a muon collider?, Mary Anne Cummings.. Идея мюонных коллайдеров очень привлекательна для экспериментов по физике элементарных частиц в области сверхвысоких энергий, поскольку мюон, в отличие от адронов, является бесструктурной частицей, при этом намного тяжелее электрона, и не теряет огромное количество энергии на синхротронное излучение. Однако, мюон имеет очень малое время жизни 2.2 мкс, что нивелируется только быстрым его ускорением и релятивистским замедлением времени. И получение мюонного пучка (распад пионов, полученных сбросом на мишень протонного пучка) достаточной интенсивности возможно лишь в большом фазовом объёме. Таким образом, необходимо очень быстро охладить и ускорить пучок мюонов. Причём единственным методом охладить пучок достаточно быстро является ионизационное охлаждение. Эксперименты на мюонных коллайдерах предложены в начале 1970-х А. Скринским и D. NeufferHigh Luminosity Muon Collider Design , Robert Palmer, Juan Gallardo, Proc. LINAC-96, p.887., однако до сих пор не реализованыParticle Physicists Dream of a Muon Collider , Scientific American, 28 Aug 2023..
Экспериментальная проверка Для проверки принципов ионизационного охлаждения в лаборатории Резерфорда-Эплтона, в Великобритании, проводится эксперимент (Muon Ionization Cooling Experiment). Первые результаты, доказавшие работоспособность метода, продемонстрировавшие сокращение эмиттанса пучка мюонов, опубликованы в 2020 году.
См. также Электронное охлаждение Стохастическое охлаждение Радиационное затухание
Примечания
Категория:Физика ускорителей