1 декабря 2008 г.

Гнутые кристаллы и физика элементарных частиц

В рассказах про Большой адронный коллайдер есть одна вещь, которая меня самого впечатляет и которую я стараюсь демонстрировать при всякой возможности --
это то, насколько разнообразные физические явления используются в работе ускорителя, причем даже в самых рутинных элементах. Расскажу сейчас об одном таком явлении, которое пока находитя в стадии изучения и разработки, но вполне возможно, что оно будет внедрено в LHC при его модернизации.

Когда протонный пучок высокой энергии попадает в вещество, то протоны то и дело натыкаются на ядра, передавая им часть своей энергии и разрушая вещество. Собственно, именно так интенсивный пучок прожигает все на своем пути. Казалось бы, этот процесс универсален -- какая разница протонам, что именно разрушать?!

Однако некоторая разница всё же есть. Если на пути пучка окажется монокристалл, причем ориентированный так, что одна из его осей будет параллельна пучку, то пучок пройдет сквозь намного свободнее, с гораздо меньшими "разрушениями". Такой режим прохождения называется каналированием.

Так происходит потому, что кристаллографические плоскости представляют с точки зрения налетающего протона ровные параллельные потенциальный барьеры. Так что если поперечные колебания протонов в пучке невелики, то каждый отдельный протон не может "перевалить" через этот потенциальный барьер и вынужден лететь строго вдоль оси кристалла (см. подробности в статье Каналирование).


Рис.2 Потенциальная энергия для поперечного движения ультререлятивистских протонов вдоль кристалла и схематичное изображение траектории в кристалле. Каналирующие частицы (красные) и неканалирующие (синие). Источник: статья Phys.Rev.Lett. 98, 154801 (2007).
Возьмем теперь кристалл и изогнем его (это будет, разумеется, упругая деформация, поэтому кристалл надо удерживать силой в изогнутом состоянии). Если кривизна небольшая, то каналирующая частица никуда не денется и послушно пойдет туда, куда ее уводят кристаллографические плоскости. Так возникает первое применение гнутых кристаллов в физике элементарных частиц -- для отклонения пучков частиц.


Рис.3 Та же потенциальная энергия, но для гнутого кристалла. и схематичное изображение траектории в кристалле. Источник: статья Phys.Rev.Lett. 98, 154801 (2007).

Однако в гнутом кристалле может происходить и еще одна интересная вещь -- объемное отражение пучка. Это можно легко себе представить, если снова нарисовать потенциальную энергию, но уже для гнутого кристалла. Эта потенциальная энергия, правда, уже относится к радиальному движению, т.е. к поперечному движению относительно изогнутых кристаллографических плоскостей. А как известно из классической механики, для радиального движения необходимо к просто потенциалу прибавить еще центробежный потенциал. Из-за этого эффективная потенциальная энергия для радиального движения протонов будет иметь вид, как на Рис.3.

Если теперь налетает неканалирующая частица, то она, достигнув какой-то кристаллографической плоскости, отразится назад. Конкретное место отражения зависит от начального угла, с которым протон влетает в кристалл, и может находиться в любом месте объема кристалла.

Явление объемного отражения пучков гнутым кристаллом было теоретически предсказано Таратиным и Воробьевым в 1987 году и было экспериментально открыто всего два года назад (Phys.Rev.Lett.97, 144801 (2006)). Сейчас это явление всесторонне изучается, в том числе в ЦЕРНе (да-да, в ЦЕРНе есть и другие эксперименты, кроме LHC, и их немало!) на специальной линии с 400-ГэВными протонными пучками из ускорителя SPS (который будет служить предварительным ускорителем для LHC). Например, в свежей статье Phys.Rev.Lett. 101, 234801 (2008) искался способ сделать объемное отражение более эффективным для того, чтобы использовать по возможности более короткие кристаллы.

Объемное отражение дает еще одно применение гнутых кристаллов для физики элементарных частиц -- в качестве первичных коллиматоров. Вообще, коллиматор -- это устройство, "чистящее" пучок частиц ускорителе (см. страницу об устройстве LHC, последний раздел). Обычно это просто "болванки" вещества, которые пододвигаются на пару миллиметров к пучку и поглощают гало пучка -- частицы, выбившиеся далеко от главной оси пучка. Эти частицы рассеиваются в веществе коллиматора в самые разные стороны, и в том числе снова в направлении пучка. В результате для того, чтобы надежно отрезать гало пучка, приходится ставить коллиматоры второго и третьего уровня. Это делает всю конструкцию громоздкой.

В отличие от обычных коллиматоров, гнутые кристаллы отклоняют частицы из гало пучка в определенном направлении, уменьшая радиационную нагрузку на окружающие элементы ускорителя. Ну и кроме того, они будут просто меньше греться, в отличие от обычных коллиматоров, которые буквально раскаляются, поглощая гало пучка.

12 комментариев:

  1. Анонимный2/12/08 10:43

    Что-то меня смутили следующие конструкции:
    "Так возникает первое применение гнутых кристаллов для физики элементарных частиц -- для отклонения пучков частиц."
    "для...для"?
    "было экспериментально открыто все два года назад"
    именно "все"? или подразумевалось "всего"?
    "Это сильно делает всю конструкцию громоздкой."
    Экхм..."сильно" или не к месту или не на месте
    "В отличие от этого, гнутые кристаллы отклоняют" от которого "этого"?

    ОтветитьУдалить
  2. Спасибо, исправил. Вот что значит, писать на ночь глядя :)

    ОтветитьУдалить
  3. Анонимный2/12/08 21:09

    Ну объемное отражение наблюдалось и раньше в том же ЦЕРНе (R.P.Fliller, Proceedings EPAC 2002), просто на это не обращали внимание. Юрию (вашему однофамильцу) с коллегами принадлежит приоретет ясной демонстрации объемного отражения, так как это довольно тонкий эксперимент (расходимость пучка должна быть меньше угла отражения). Кстати часть пучка всегда преломляется (Письма ЖЭТФ т.82 2008), что Таратин и Воробъев не обнаружили, так как решали задачу численно. Поэтому картинка не совсем правильная. Если на частица отражается от эффективного потенциала, то это не значит что она испытывает объемное отражение. Она может и преломлятся (притягиваться к потенциалу)
    Все остальное вроде ОК.

    asymptotical (LJ)

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный2/12/08 23:49

    Когда написал, что картинка не совсем правильная, имел ввиду картинку 3 в вашей заметке и в Phys.Rev.Lett. 98, 154801 (2007). Ее интерпретация, которую Вы повторяете, не верная. Простой пример, если классическая частица попадает точно на вершину эффективного потенциала, то ее поперечное движение прекращается (v=0, a=0) и, естественно, частица никуда не отражается. Это случай спирального рассеяния Форда и Уиллера (1956).

    asymptotical (LJ)

    ОтветитьУдалить
  5. Спасибо за комментарии по поводу истории. Насчет картинки, по-моему, Вы излишне придираетесь. Это в идеале частица может асимтотически зависнуть на максимуме горба; в реальности потенциал трясется, хотя бы тепловым образом. Хотя конечно для очень тонких кристаллов он может и не успеть скинуть.

    Да, схемки с преломлением я видел. Там, по-моему, тоже очень короткий тонкий кристалл был.

    ОтветитьУдалить
  6. Анонимный3/12/08 10:56

    Игорь, не совсем так. Преломление всегда присутствует, так же как и отражение. Это не сам максимум, а область вблизи иаксимума. Другое дело, что эта область мала. Приломление играет существенную роль в объемном захвате (неупругий процесс) о котором Вы говорите. Без него объемный захват был бы значительно ниже (для протонов). Для антипротонов преломление доминирует т.к. дрожания нет (максимум потенциала в центре, между плоскостями).

    Кстати где вы видели картинки преломления?
    Asymptotical (LJ)

    ОтветитьУдалить
  7. На картинках не было преломления, я ошибся (Phys.Rev.Lett.97, 144801 (2006), там только каналирование и отражение). Про рефракцию я мельком прочитал в arXiv:0712.0858, но это теоретическая статья.

    Вообще, забавно, что в этой области доминируют русские авторы.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный3/12/08 16:34

    В статье arXiv:0712.0858 есть ошибки. Посмотрите Письма в ЖЭТФ т87 стр.410 там все правильно и есть правильная картинка (но расчетов нет, скоро должны появиться).

    Да, доминируют русские. История вкратце такова. В середине 70-х Кумаховым был предсказано сильное излучение при каналировании, в начале 80-х кому-то показалось, что это излучение возможно как-то использовать для борьбы с программой "звездных войн" Рейгана. На это были брошены большие силы (много институтов и людей, кстати у вас в Сибири, в Томске многие этим тоже занимались). Все, разумеется, оказалось не так оптимистично, но положительным фактором был рывок в изучении явления каналирования.
    Это классический пример, как военные задачи двигали науку в союзе.
    asymptotical (LJ)

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный23/1/10 06:36

    Вообще говоря излучение при каналировании было предсказано С.А. Воробьевым и В.В. Каплиным из НИИ ЯФ (Томск), а затем Кумахов построил теорию.

    ОтветитьУдалить
  10. Игорь, здравствуйте!

    Русскоязычный термин для bent crystals звучит как "изогнутые кристаллы", хотя, "Гнутые", конечно, прикольнее)))

    ОтветитьУдалить
  11. Анонимный18/12/12 17:12

    А сам пучок ими нельзя отклонять? :)

    ОтветитьУдалить