Одним из грандиозных проектов будущего в физике элементарных частиц
является создание мюонного коллайдера. Ожидается, что он будет построен не ранее, чем через 10-20 лет, а это означает, что
именно сейчас идут наиболее активные разработки
его принципиального устройства. Именно в сегодняшних работах
проступают общие контуры будущего мюонного коллайдера.
Так, в недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters,
построена аналитическая теория охлаждения мюонного
пучка в накопительном кольце коллайдера.
Последние десятилетия экспериментальная физика элементарных
частиц шла вверх по шкале энергий, достижимых в лаборатории.
Однако всему есть предел: вот уже прекратил свою работу
и последний из кольцевых электрон-позитронных коллайдеров LEP.
Дело в том, что с ростом энергии электронов катастрофически растет
и скорость потери электронами энергии на синхротронное излучение.
Простое удерживание электронов с заданной энергией на орбите
кольцевого накопителя становится крайне дорогим удовольствием,
и потому гонка за высокими энергиями здесь зашла в тупик.
Выходов из этой ситуации несколько, и один из них заключается в том,
чтобы удерживать в кольце более тяжелые частицы, например,
протоны. Протоны, однако, сами по себе объекты "грязные",
не элементарные: при столкновении высокоэнергетических протонов
многочисленные кварки и глюоны только мешают друг другу
(см. заметку "Конференция DIS2001 глазами участника"). Поэтому когда возникло желание сталкивать по-настоящему элементарные, но достаточно тяжелые частицы, то выбор естественно остановился на мюонах.
Однако накапливать и ускорять мюоны -- дело нетривиальное:
ведь мюоны частицы нестабильные.
За время жизни мюона (правда, растянутое благодаря
релятивистским эффектам) необходимо пучок получить,
впрыснуть его в накопительное кольцо, ускорить, и наконец,
охладить. Последний этап -- крайне важен, и причем
по двум причинам.
Во-первых, чем плотнее пучок -- то есть, чем меньше поперечные
(бетатронные) колебания мюонов относительно средней орбиты -- тем
больше вероятность той или иной реакции в столкновениях пучков. Поэтому
возникает естественная задача подавления поперечных колебаний.
Во-вторых, продольные колебания влекут за собой
разброс по энергии мюонов. Такая немонохроматичность
пучка очень вредна для прецизионных измерений
резонансных реакций, которые планируются на мюонных коллайдерах.
Поэтому и подавление продольных колебаний тоже крайне желательно.
Оценки показывают, что для эффективной работы коллайдера
необходимо подавление поперечных колебаний в 300 раз,
а продольных -- по крайней мере на порядок.
Когда дело касалось электронов, то подавление поперечных колебаний
не представляло проблемы. Помогало в этом то же синхротронное излучение: ультрарелятивистский электрон, двигаясь
по синусоидальной траектории, излучает
фотоны в направлении своего движения. При этом теряется
как поперечный, так и продольный импульс.
Затем в разгоняющем резонаторе продольный импульс восполняется,
а поперечный так и остается маленьким.
В случае мюонов такой метод, естественно, не пройдет --
синхротронное излучение подавлено. Не будут работать также
и типичные методики охлаждения протонного пучка (например,
охлаждение электронами) -- оно происходит слишком медленно
по сравнением с временем жизни мюона.
Поэтому практически единственной эффективной методикой
является ионизационное охлаждение, предложенное
еще в 1970-х годах Будкером и Скринским из Новосибирского Института
ядерной физики.
Ионизационные потери энергии возникают, когда высокоэнергетическая
(заряженная!) частица движется сквозь среду, "сдирая" электроны
с внешних оболочек молекул вещества. Потери импульса при этом
происходят вдоль направления движения, точно также, как и при
радиационном затухании бетатронных колебаний электронов.
Поэтому все кинематические результаты переносятся непосредственно и на случай мюонов.
С подавлением продольных колебаний ситуация несколько хитрее,
однако существуют идеи, восходящие к тем же Будкеру и Скринскому,
по пространственному разнесению частиц с разной энергией.
Применяя затем "тормозящий" поглотитель клинообразной
формы, можно заставить частицы с большей энергией
терять больший продольный импульс, и таким образом,
уменьшать и разброс по продольным импульсам.
В качестве вводного материала по ионизационному охлаждению мюонов можно порекоммендовать
главу из отчета коллаборации The Neutrino Factory and Muon Collider Collaboration.
На самом деле, ситуация не столь проста, как кажется.
Во-первых, из-за того, что процесс торможения происходит в среде,
возникает многократное рассеяние -- т.е. дополнительный источник
разброса по скоростям. Во-вторых, для эффективного
и аккуратного охлаждения пучка требуется достаточно сложная
магнито-оптическая система (система магнитных линз для управления
пучком). Наконец, поперечное и продольное движение
не развязаны, а взаимодействуют друг с другом.
В результате задача аккуратного обсчета процесса охлаждения
мюонов долгое время решалась только численным моделированием.
И вот, по-видимому, ситуация сдвинулась с места.
В статье [Ch.Wang and K.-J. Kim, Phys.Rev.Lett. 88, 184801 (2002)],
а также в цитированных там работах, построена аналитическая
теория ионизационного охлаждения мюонов.
Надо сказать, что задача ставится и решается в полном
6-мерном фазовом пространстве, а значит, в ней могут быть учтены
и всевозможные взаимодействия всех степеней свободы друг с другом.
Теория пока построена в линейном приближении: скажем,
поперечный эффективный потенциал, чувствуемый мюонами,
квадратичен по координатам (т.е. сила линейна).
Однако авторы видят, как регулярным
образом учитывать разнообразные нелинейности и другие особенности
той или иной конкретной конструкции. Безусловно, разработка
этой теории приведет не только к улучшенным численным
моделям того или иного ускорителя, но и к более четкому пониманию
самого процесса ускорения в данных специфических условиях.