Формирование мюонных и нейтринных пучков на ускорителях высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ



ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

95-3

На правах рукописи

Повоскольцев Федор Николаевич

ФОРМИРОВАНИЕ МЮОННЫХ И НЕЙТРИННЫХ ПУЧКОВ НА УСКОРИТЕЛЯХ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

01.04.20 - Физика пупков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1995

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук В.П.Карташев.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.М.Гав] кандидат физико-математических наук А.С.Вовенко.

Ведущая организация - ИЯИ РАН (г. Троицк).

Защита диссертации состоится "_" ^ _ 1995 г. в

_часов на заседании специализированного Совета Д034.02.01 при

ИФВЭ (142284, Протвино Московской области)..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_" _ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Д034.02.01 Ю.Г.Рябов

© Институт физики высоких энергий, 1!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные ускорительные комплексы с фик-:прованными мишенями включают в себя развитую систему каналов для формирования разнообразных пучков частиц, обеспечивающих проведение цирокого класса экспериментов. Помимо первичных протонов и пучков торичных частиц, образующихся при взаимодействии первичных прото-:ов с мишенью, широко используются и пучки третичных частиц, источ-иками которых служат распады нестабильных вторичных частиц. Среди учков третичных частиц особое место занимают мюонные и нейтринные учки от распадов ж, К-мезонов, при формировании которых использует-а разнообразное магнитное оборудование, а также пассивная и активная пиита.

При разработке н оптимизации оптических схем каналов, с учетом ;обенностей формирования пучков данного сорта, кроме требований к ;новным параметрам пучков (интенсивность, размер на установке, шири-1 импульсного распределения) необходимо учитывать достаточно жест-1е требования к уровню мюонного фона на экспериментальной установ-:. Где это возможно, предпочтительно попользовать пассивную защиту селезо, грунт), например при формировании нейтринных пучков. В мю-:ных каналах традиционно используют активную мюонную защиту из магниченного железа (обычно тороидальной формы). При организации оонной защиты в коротких каналах, например в канале -гиперонов, прос использования и оптимизации намагниченного железа становится вовным.

Каналы частиц включают в себя большое количество магнитного обо-цования, в том числе обязательные системы коррекции оси пучка и его 1бающих в окрестности рабочей точки. Поэтому уже на стадии про-гирования каналов необходимо заниматься исследованием устойчивости гической системы к нестабильности положения туннеля и ошибкам при ставлении магнитного оборудования и разработкой системы коррекции.

Цель диссертационной работы состояла в изучении особенностей формирования пучков мюонов и дихроматических нейтрино в области высоких энергий, разработке и оптимизации оптических схем мюонных и нейтринных каналов для ускорителей SPS и У-600, разработке активной мюонной защиты в коротких каналах для УНК и У-600.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту. В диссертации получены следующие основные результаты.

1. Рассчитан и оптимизирован новый вариант оптической схемы мю-онного канала на ускорителе SPS в CERN. Проведена настройка модифицированного канала и исследованы параметры формируемых пучков.

2. Предложена и разработана активная мюониая защита из намагниченного железа (мюонный фильтр) для beam-dump экспериментов, рассчитаны конкретные варианты фильтра для УНК и У-600.

3. Разработан канал ХГ-гиперонов для УНК с фокусировкой гиперон-ного пучка на экспериментальную мишень и активной мюонной защитой из намагниченного железа.

4. Исследованы особенности одновременного формирования пучков мюонов и дихроматических нейтрино, разработана оптическая схема мюон-нейтринного канала со свободным распадным участком для У-600, рассчитаны параметры формируемых пучков.

5. Разработана оптическая схема канала дихроматических нейтринс для У-600 для проведения эксперимента "Байкал", рассчитаны параметры формируемых пучков с использованием полученного аналитической выражения для спектра нейтрино на детекторе с малым угловым разме ром. .

6. Предложена процедура выбора и оптимизации систем коррекцш отклонений оси и огибающих пучка от расчетных значений.

Практическая ценность. Приведенные в диссертации результать использованы при модернизации мюонного канала на ускорителе SPS разработке технического задания на проектирование каналов частиц УНЬ и У-600 и могут найти применение в других научных центрах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыва лись на научных семинарах ИФВЭ, рабочих совещаниях "Физика на УНК' (Протвино, 1990) и "УНК-600" (Протвино, 1993), опубликованы в научны: журналах, трудах конференций и совещаний, а также в виде препринтов

Структура диссертации. Работа изложена на 105 страницах, со-тоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 34 рисунка, i таблиц и список цитируемой литературы пз 46 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена новому варианту оптической схемы мюон-[ого канала на ускорителе SPS. Мюонный канал в CERN был создан в 978 году для формирования высокопнтенсивных мюонных пучков с им-гульсами до 325 ГэВ/с. С 1991 года канал используется для проведения 1МС эксперимента, в котором был сделан акцент на использование пуч-:ов мюонов с высокой продольной поляризацией и достаточно большой [нтенсивностью.

При модернизации мюонного канала были сформулированы следующие сновные требования на параметры мюонных пучков:

1. Необходимы иучки с импульсами от ±100 до ±225 ГэВ/с, причем нтенсивность пучка с центральным импульсом 100 ГэВ/с должна быть :е менее 5-107 мюонов при интенсивности 450 ГэВ-ного выведенного про-онного пучка не более 1013 протонов (в течение одного цикла работы PS).

2. Средняя продольная поляризация мюонов — выше 80%.

3. Примесь адронов в пучке мюонов — ниже уровня 10_6.

4. Пучки должны иметь достаточно малый размер вдоль всей экспе-иментальной установки. При этом полный размер мюонов на экспери-:ентальной поляризованной мишени не должен превышать ее диаметра

см.

5. Фон в зоне экспериментальной установки на площадке с размерами х4 м2 должен быть понижен до уровня ~106 мюон/цикл.

Схематический план мюонного канала с указанием его основных функ-иональных частей показан на рпс.1, длина канала от первичной мишени о экспериментальной поляризованной мишени составляет 1102 м. В ка-але можно выделить две большие части: адронную часть с участком юрмирования интенсивного пучка тг, /("-мезонов и распадным участком, оканчивающимся адронным поглотителем (расстояние от первичной ми-ieini до поглотителя 692 м), и мюонную часть, которая служит для гбора, транспортировки, очистки от фона и фокусировки мюонного пуча на экспериментальную мишень.

' При формировании пучка адронов дисперсия, необходимая для выделения требуемого импульсного интервала, создается на участке от первой до второй группы горизонтальных магнитов. Ненужные частицы, в том числе и непровзаимодействовавшие в мишени протоны, поглощаются в двух массивных коллиматорах. Точка поворота трассы канала в вертикальной плоскости совмещена с фокусом пучка в этой же плоскости. Основная часть мюонов образуется от распадов пионов и каопов на распадном участке канала, который представляет собой периодическую ГСШО структуру длиною примерно 500 м из квадрупольных лпнз с апертурой диаметром 200 мм, размещенных с шагом 36 м; каждый период обеспечивает для адронов набег фазы 60°. В конце распадного пучок фокусируется на адронный поглотитель, расположенный внутри апертуры группы вертикальных магнитов.

Для эффективного поглощения нераспавпшхся адронов в поглотителе и для минимизации многократного кулоновского рассеяния мюонов I нем материал поглотителя (бериллий) выбирался из условия минимальности отношения ядерной длины к радиационной. Минимальное увеличенш фазового объема пучка мюонов вследствие многократного рассеяния обеспечивается формированием кроссовера пучка в обеих плоскостях в цент^( поглотителя. После анализа по импульсам мюонный пучок согласуется сс второй ГОБО структурой, состоящей из трех периодов с набегом фазь

0° на периоде. Перед экспериментальным залом группой вертикальных агнитов пучок мюонов возвращается в горизонтальную плоскость. Си-гема измерения импульса мюонов, включающая в себя последнюю груп-у вертикальных магнитов и две пары годоскопов, позволяет измерять мпульсы отдельных мюонов с точностью ±1%.

Оптика адронной части канала (режимы магнитного оборудования) ыла оптимизирована в первом и во втором порядках. В первом прибли-ении оптика мюонной части была рассчитана в предположении кано-аческого положения мюонного пучка в адронном поглотителе. Для того гобы учитывать эффект дисперсии от группы вертикальных магнитов, в ячестве начальной точки мюонной части канала в расчетах использова-эсь другое каноническое положение пучка мюонов (перед поглотителем римерно в 150 м, набег фазы от этой точки до поглотителя для мюонов 1вен 90°).

Параметры формируемых пучков мюонов и мюонный фон на экспери-знтальной установке были рассчитаны по монте-карловской программе ALO. Эта программа разыгрывает выходы 7Г, АГ-мезонов с первичной ми-ени и их распады вдоль трассы канала на мюон и мюонное нейтрино. В эеделах апертуры оптических элементов адроны и образующиеся мюоны эанспортируются с помощью матриц преобразования элементов. Вышед-ие за пределы апертуры адроны считаются потерянными, в то время iK вышедшие мюоны транспортируются до конца канала с учетом дей-■вия магнитного поля (при этом используются карты магнитных полей), зогократного кулоновского рассеяния и ионизационных потерь энергии в ществе, включая адронный поглотитель и грунт, окружающий туннель.

При модернизации мюонного канала существенному изменению под-рглась мюонная часть. Это было связано с тремя проблемами.

1. Чтобы обеспечить небольшой размер мюонного пучка вдоль всей епериментальной установки (~110 м), помимо организации другой опти-[ в конечной части канала, необходимо было скомпенсировать угловую ссперсию в пучке на выходе последней группы вертикальных магнитов, (.счеты показали, что для этого вторая половина FODO структуры в оонной части должна иметь шаг периода 44.8 м вместо 36.0 м в первой ловине.

Для оптимизации размеров мюонного пучка на экспериментальной тановке применялся метод итераций, основанный на знании в начальной чке мюонной части фазового объема мюонов, доходящих потом до кон, канала. Такой фазовый объем получался отображением в начальную чку расчетных профилей мюонного пучка на экспериментальной уста-

новые. После этого определялись новые режимы оптических элементов i рассчитывались новые профили пучка, в случае необходимости процедург повторялась.

2. Для проведения эксперимента необходимы были пучки мюонов с вы сокой продольной поляризацией и достаточно большой интенсивностью При распаде моноимпульсного пучка адронов наибольшее значение про дольной поляризации по абсолютной величине имеют мюоны, образую щиеся с минимальными и максимальными импульсами в лабораторное системе координат, однако интенсивность мюонного пучка с минимальи или максимально возможными импульсами крайне мала.

Проведенные расчеты показали, что для формирования пучка мюо нов со средней продольной поляризацией не менее 80% его импульсныз интервал не должен превышать Др^/р^ = ±5%, а пучка адронов — Aph/ph = ±10%. При этом оптимальное соотношение между интенсив ностью мюонного пучка и его средней продольной поляризацией получа ется при отношении центральных импульсов пучков мюонов и адроно p„/ph ~ 0.91.

3. Для понижения мюонного фона в зоне экспериментальной установк: до требуемого уровня используются небольшие, но с подвижными боковы ми частями магнитные коллиматоры-скреперы и расположенные за ним более массивные и статичные намагниченные блоки (два вертикальны скрепера служат как и коллиматоры для выделения пучка мюонов с тре буемым импульсным интервалом).

Магнитные скреперы и намагниченные блоки имеют тороидально магнитное поле в железе вокруг пучка с индукцией до 1.5 Т и ра: мещены вдоль мюонной части канала. Расположение в канале магнитны коллиматоров-скреперов (и их раскрытие) и намагниченных блоков был оптимизировано по программе HALO. Для более эффективной защит) экспериментальной установки от мюонного фона в SMC эксперимент используется охранная система из шести veto-счетчиков, которые уст. новлены в конечной части канала перед экспериментальной мишеньв

При настройке канала для получения требуемых размеров пучка мк онов на экспериментальной установке применялась та же итерационш процедура, что и при расчетах, но уже с использованием измеренных npi филей. Большинство данных было получено для ц+-пучка с центральны импульсом 100 ГэВ/с. В табл.1 представлены его измеренные характ ристики и фон мюонов на экспериментальной установке, для сравнен! также показаны результаты расчетов по программе HALO.

Таблица 1

Измерение | Расчет

Интенсивность протонов на мишени ~3.5-10"

Адронный пучок

Центральный импульс ph, ГэВ/с 110

Разброс по импульсам сг[рд)/рЛ) % - 1 ^

Мюонный пучок

Центральный импульс р„, ГэВ/с 100

Разброс по импульсам <т[рц)/рц, % 3.6 3.3

Интенсивность, И<5 см 4-Ю7 3-Ю7

<г[хй]х<г[уц] на мишени, ммхмм 16x15 13x13

Средняя продольная поляризация, % -82±6 -83±5

Фон мюонов на плошадке 4x4 м*, % 6 4.5±1

Во второй главе рассмотрены вопросы использования активной мю-нной защиты в коротких каналах для УНК и У-600.

В первом разделе главы представлена специальная активная мюон-ая защита из намагниченного железа для проведения beam-dump экспе-иментов, т.е. экспериментов с полным поглощением протонного пучка мишени-поглотителе. Наряду с предложениями использовать пассив-ую мюонную защиту, с целью повышения аксептанса экспериментальной становки рассматривались варианты активной зашиты с использовани-м широкоалертурных беззазорных магнитов и С-образных магнитов с цаленным ярмом. Однако такие системы имеют большие поперечные азмеры, вес и потребляют большое количество электроэнергии.

Для проведения beam-dump эксперимента при энергии первичного про-энного пучка УНК 3000 ГэВ был разработан мюонный фильтр из на-агниченного железа, поперечное сечение которого показано на рис.2, ротонный пучок сбрасывается на мишень 2 (адронный поглотитель) и элностью в ней поглощается.Расчеты адронной мпшенп-поглотптеля для ¿строго резонансного вывода из ускорителя протонного пучка с интен-изностью 1013 протонов и размерами а[х]—а[у]—5 см показали, что керн мпени может быть выполнен из меди длиною 120 см и радиусом 25 см.

Основная часть мюонного фильтра представляет собой систему из двух ссиально-симметричных частей намагниченного железа с противоположим направлением магнитного поля в них. Первая половина основного шьтра 3 выбрасывает за пределы детектора положительно заряженные удерживает отрицательно заряженные мюоны, которые затем разбра-хваются второй половиной основного фильтра 4. В таком виде мюонный 1льтр обеспечивает надежную защиту детектора от мюонов, образовав-

г, м

Рис. 2. Мюонный фильтр: 1 - мишенный бокс; 2 - мишень-поглотитель; 3 и 4 - первая и вторая половины основного фильтра; 5 и 6 - дополнительные тороиды. Части 3, 6 и 4, 5 имеют противоположные направления магнитного поля.

шихся в мишени. Для снижения уровня мюонов, образующихся по всему объему фильтра (например, ^±-пары), необходимы дополнительные тороиды 5 и 6 с противоположным направлением магнитного поля (относительно короткие, но с большими поперечными размерами, чем у основногс фильтра). Для эффективного выбрасывания мюонов за пределы детектор? необходимы достаточно высокий темп нарастания магнитной индукции I приосевой области мюонного фильтра и достаточно большая магнитназ индукция в остальном железе. Поэтому токовый сердечник был выбра! железным с радиусом 5 мм, по которому пропускается ток с однородно: плотностью 2 А/мм2.

Были проанализированы источники мюонного фона на эксперимен тальной установке, основными из которых являются: а) распады дол гоживущих 7Г±-, Л^-мезонов и короткоживущих резонансов в мишени поглотителе в процессе развития в ней адронного каскада (при этом в выходе из мишени-поглотителя формируется поле мюонов обоих знаков за ряда с широким радиальным, угловым и импульсным распределениями' б) прямое образование мюонами ^±-пар (<;пс!еп1;-процесс) по всему обг ему фильтра и в окружающем экспериментальный зал грунте (для мюон

энергией Е>20 ГэВ вероятность trident-процесса на одном метре железа оставляет ~5-10-5).

Проведенные расчеты показали, что' аксиально-симметричный мюон-:ыл фильтр обеспечивает поток фоновых мюонов на детектор радиусом м, расположенный на расстоянии 300 м от мишени-поглотителя, не ;ревышающий Ю-11 мюон-протон-1, причем центральная часть радиусом .5 м очищается до уровня З-Ю-13 мюон-протон-1. При этом наибольший клад в поток мюонов на детектор дают мюоны от trident-процессов в селезе фильтра. Общий вес намагниченного железа составляет примерно 100 тонн, а суммарная потребляемая мощность не более 180 кВт.

При учете окружающего грунта "мягкие" мюоны, в том числе образо-авшиеся в trident-nponeccax в грунте, дпффундпруют обратно к прямому аправлению и попадают на детектор. Так, при расстоянии от оси мю-нного фильтра до грунта 3 м (обычное расстояние от пучка до пола экспериментальном зале) поток на детектор мюонов, рассеянных через рунт, более чем на порядок превышает поток на детектор мюонов, не рошедших через грунт. Можно существенно уменьшить поток на детек-ор мюонов, рассеянных через грунт, используя намагниченное железо плоским железным токовым сердечником, которое отклоняет мюоны реимущественно в горизонтальной плоскости. При расстоянии от оси яльтра до пола 3 м и стен зала 10 м поток на детектор мюонов, рассе-нных через грунт, будет сравним с общим потоком на детектор мюонов, е прошедших: через грунт.

В случае намагниченного железа с плоским железным токовым сердеч-иком (высота 400 мм для первой половины основного фильтра и 800 мм ля второй половины основного фильтра и дополнительных тороидов) эщий вес мюонного фильтра составит около 1870 тонн, а суммарная отребляемая мощность возрастет до 250 кВт. Использование намагни-енного железа с плоским токовым сердечником позволяет существенно меныпить и уровень вертикальной грунтовой защиты по сравнению с ксиально-симметричным намагниченным железом с 30 до 10 м (при до-устимом потоке мюонов на поверхности земли Ю-9 мюон-м-2-протон-1).

Рассчитан также мюонный фильтр с плоским железным токовым сер-гчником для У-600, который обеспечивает снижение потока фоновых юонов до уровня Ю-11 мюон-протон-1 на детектор радиусом 1.5 м, распложенный на расстоянии 150 м от мишени. Общий вес намагниченно-) железа составляет ~800 тонн, а суммарная потребляемая мощность 150 кВт.

Во втором разделе главы представлена активная мюонная защита в канале £~-гиперонов. С ростом. энергии ускорителей упрощается задачг формирования гиперонных пучков, поскольку распадная длина частиц ра стет пропорционально их энергии Е, тогда как продольный размер адрон ной защиты растет как 1п£. В тэвной области энергий при формнрованш пучка гиперонов может быть применена как фокусировка пучка на ми шень экспериментальной установки сверхпроводящими квадрупольныш линзами, так и активная защита из намагниченного железа. Оптимизиро ванная для получения пучка Е~-гиперонов с импульсами р0~2700 ГэВ/< (при энергии первичного протонного пучка УНК 3000 ГэВ) схема типе ронного канала представлена на рис.3.

C1 DUMP C2S1

1 » I __■ _■

О 20 40 60 S0 100 и

Рис. 3. Схема гиперонного канала: Т - мишень; М - дипольные магниты; Q - сверхпро водящие квадрупольные линзы; DUMP - протонный поглотитель; С - коллима торы; S - магнитные спойлеры. Первая группа Ml из четырех радиационно стойких магнитов с апер турами, выложенными вольфрамом, обеспечивает разделение формируе мого пучка Е~-гиперонов и пучка непровзаимодействовавших в мишеш протонов, которые гасятся в специальном поглотителе DUMP, располо женном непосредственно после первой группы магнитов. Вторая групп; М2 из четырех магнитов доводит угол поворота гиперонного канала д( 4.8 мрад, что способствует дополнительной очистке формируемого пучкг

-гиперонов. Фокусировка пучка на мишень экспериментальной установки, расположенную на расстоянии 200 м от первичной мишени, осуществляется дублетом С21-С^2 из сверхпроводящих квадрупольных линз. Последняя группа МЗ из двух сверхпроводящих магнитов и коллиматор СЗ обеспечивает очистку сформированного пучка Е~-гиперонов от нейтронов и тг--мезонов, образовавшихся при распаде Е~-гиперонов на прямолинейном участке канала от второй до третьей группы магнитов. Как показывают проведенные расчеты, при р0>2700 ГэВ/с может быть получен пучок Е~-гиперонов с интенсивностью 2-Ю-5 гиперон-протон"*1 п размерами на экспериментальной мишени а[х\~а[у}=2-т-З мм; примесь нейтронов и 7г--мезонов от распадов £"-гиперонов составляет соответственно 12 и 4%, а мягкий адронный фон от каскадных процессов в веществе коллиматоров и примесь тг_-мезонов, образовавшихся в первичной мишени, не превышают соответственно 5 и 30% интенсивности пучка Е--гиперонов.

Основным источником мюонов в гиперонном канале являются распады 7Г, ЛГ-мезонов, образующихся в мишени и элементах канала при развитии в них адронного каскада. Формирование поля мюонов практически заканчивается на выходе основной группы магнитов М1-М2, причем существенное влияние на его характеристики оказывает действие магнитного поля не только в зазоре магнитов, но и в их ярме. Анализ характеристик поля мюонов на выходе этой группы магнитов показывает, что: а) распределение мюонов в горизонтальной плоскости значительно шире их распределения в вертикальной; б) имеет место заметное пространственное разделение мюонов по знаку заряда в горизонтальной плоскости; в) энергетический спектр мюонов смягчается при переходе к зонам, более удаленным от центра магнита. Для режима работы канала с р0 = 2700 ГэВ/с общий поток мюонов на экспериментальную площадку размером 2x1 м2, расположенную на расстоянии 200 м от первичной мишени, равен 3-10~5 мюон-протон-1, что в 1.2 раза выше интенсивности пучка £~-гиперонов.

Расчеты показали, что эффективную и компактную активную мюон-ную защиту в гиперонном канале можно построить, если отклонять мюо-ны в вертикальной плоскости магнитными спойлерами с плоским токовым сердечником, которые имеют поперечное горизонтальное магнитное поле. Оптимизированная система из двух магнитных спойлеров такого типа с противоположно направленными токами уменьшает поток мюонов на экспериментальную площадку в 85 раз и, таким образом, снижает фон мюонов N^/N5;- до 1.3%. Первый спойлер Э1 с размерами 0.6x0.4x4.0 м3' подавляет источник положительно заряженных фоновых мюонов, а

второй спойлер Б2 с размерами 1.6x0.4x12.0 м3 подавляет источник отрицательно заряженных фоновых мюонов. При этом расстояние между центрами спойлеров 30 м оказывается достаточным, чтобы положительно заряженные мюоны, отклоненные первым спойлером, не захватывались вторым.

В третьей главе рассматриваются пучки мюонов и дихроматических нейтрино для У-600." В первом разделе главы представлен комбинированный мюон-нейтринный канал со свободным распадным участком для одновременного формирования пучков мюонов и дихроматических нейтрино, которые по своим параметрам практически не уступают специализированным пучкам.

При организации мюон-нейтринного канала с распадным участком, состоящим из периодической ГОБО структуры, угловой размер пучка к, К-мезонов на распадном участке больше, чем на свободном распад-ном участке обычного нейтринного канала, формирующего пучок дихроматических нейтрино. Поэтому колебания пучка 7г, /¿"-мезонов в ГСШО структуре ухудшают характеристики нейтринного пучка на детекторе. Колебания 7г, .ЙГ-мезонов можно уменьшить, увеличивая расстояние между квадрупольными линзами. Однако для сохранения аксептанса периодической структуры требуется увеличивать радиус апертуры квадрупольных линз, что ведет к повышению энергопитания и веса линз.

С другой стороны, формировать мюонный пучок в канале со свободным распадным участком разумно только при условии практически полного сбора образующихся мюонов в конце распадного участка. Для этого, в отличие от обычного нейтринного канала, нужно минимизировать размеры пучка тг, ЙГ-мезонов в конце распадного участка с учетом хроматических аберраций, что накладывает дополнительные требования на параметры фокусирующей системы.

Анализ простейших фокусирующих систем показал, что наиболее полно эти требования можно обеспечить двухобъективной фокусирующей системой с промежуточным изображением (для анализа пучка по импульсам) при определенных соотношениях между расстояниями от мишени до объективов и точки промежуточного изображения. На рис.4 показана оптическая схема комбинированного мюон-нейтринного канала со свободным распадным участком, оптимизированная для энергии первичного протонного пучка 600 ГэВ. Длина канала от мишени до мюонной экспериментальной установки составляет 1350 м при длине распадного участка 590 м.

Z, м

Рис. 4. Оптическая схема мюон-нейтринного канала и огибающие пучка: С - адронный коллиматор; DUMP - протонный поглотитель; MC - магнитный мюонный коллиматор; ABS - адронный поглотитель; М1-М4 - четырехмагнитная система для измерения импульса мюонов.

Для выделения 7г, Ä'-мезонов с нужными импульсами используется двухмагнитная система и адронный коллиматор С, расположенный перед полевой линзой. Непровзаимодействовавшиё в мишени протоны поглощаются в поглотителе DUMP. Суммарный поворот распадного участка и конечной части канала относительно начального участка формирования пучка адронов составляет 18 мрад, что обеспечивает низкий уровень фона нейтрино других импульсов и антинейтрино в пучке дихроматических нейтрино. После распадного участка пучок фокусируется на адронный поглотитель ABS (бериллий, 10 м) для очистки пучка мюонов от нерас-павшихся адронов.

Выделение мюонов с требуемыми импульсами осуществляется четы-рехмагнитной системой, расположенной после распадного участка канала, и магнитным коллиматором MC, внутри которого расположен адронный поглотитель. В конечной части канала происходит измерение импульса мюонов и фокусировка пучка на экспериментальную установку. Для очистки экспериментальной установки от мюонного фона -используются скреперы пз намагниченного железа, поперечное сечение которых близко к тороидальному. Общий вес намагниченного железа составляет около 250 тонн.

В мюон-нейтринном канале возможно формирование пучков мюонов с импульсами от ±100 до ±400 ГэВ/с. В табл.2 представлены параметры

/^+-пучка с центральным импульсом 400 ГэВ/с и пучка дихроматических нейтрино, одновременно формируемых мюон-нейтринным каналом (расчеты проводились по программе HALO).

Таблица 2

Адронный пучок

Центральный импульс рк, ГэВ/с 420

Разброс по импульсам <т[рл]/рл, % 4.8

Интенсивность, протон-1 8.4-10-4

Мюонный пучок

Центральный импульс рц, ГэВ/с 400

Разброс по импульсам <т[рц]/ри, % 4.1

Интенсивность, протон-1 3.4-Ю-6

<т[хм]х<7[у„] на установке, ммхмм 10x10

Фон мюонов на площадке 4x4 % 6

Нейтринный пучок

Радиус детектора 1250 мм. Расстояние от мишени 4 км. Нейтрино от распада

т+ К+

Интенсивность, протон-1 в.ЗхЮ-6 1.2х10-в

Средний импульс <р„>, ГэВ/с 127 368

Ширина распределения <т[р„], ГэВ/с 29 29

"Ы/<Р,>. % 22.8 7.9

Во втором разделе главы представлен канал дихроматических нейтрино для проведения эксперимента "Байкал" по изучению осцилляций нейтрино (расстояние от У-600 до глубоководного нейтринного детектора радиусом 50 м составляет примерно 4200 км). Фокусирующая система канала включает в себя объектив из квадрупольных линз и систему из двух отклоняющих мэгнитов (рис.5).

Выведенный из У-600 первичный протонный пучок с энергией 600 ГэВ магнитом Ml отклоняется от прямого направления на угол 6 мрад и дублетом квадрупольных линз Q1-Q2 фокусируется на мишень Т. Триплет квадрупольных линз Q3-Q5 предназначен для захвата с мишени и формирования в направлении распадного участка слабо расходящегося пучка адронов. Магнитная система М2-МЗ используется для очистки формируемого пучка 7Г, if-мезонов от частиц другого знака заряда и непровза-имодействовавпшх в мишени протонов, которые гасятся в специальном поглотителе DUMP. На свободном распадном участке нейтринного канала расположена вакуумная камера общей длиной 440 м, имеющая минимальный радиус 0.2 м в начальной и 1 м в конечной части распадного участка. В конце распадного участка расположен адронный поглотитель.

-1-1--—1-1_I_1_

-40 -20 0 20 40 60 Z, м

Рис. 5. Фокусирующая система канала дихроматических нейтрино для эксперимента "Байкал": Т - мишень; DUMP - протонный поглотитель; Q - квадрупольные линзы; М - дипольные магнлты.

Выбор и оптимизация фокусирующей системы любого нейтринного канала является довольно трудоемкой задачей, требующей значительных затрат машинного времени. Поэтому большое значение имеют подходы, упрощающие оптимизацию. В частности, при формировании пучка нейтрино в канале со свободным распадным участком для расчета спектра нейтрино dNll/dpv на удаленном детекторе с малым угловым размером можно предложить аналитическое выражение

Ifftv)=^¡ъЦ^гъм^ы,

где рж, 7 и V — импульс в лабораторной системе, гамма-фактор и скорость 7г-мезона (пли К-мезона); ри и р* — импульс нейтрино в лабораторной системе и системе покоя 7г-мезона; А и L — распадпая длина 7г-мезона и длина распадного участка канала; и 9d — углы 7г-мезонов на рас-падном участке и угловой размер нейтринного детектора; dN„/dpr — распределение 7г-мезонов по импульсам в начале распадного участка. При этом функция F(pT,9lr(j)l/)), зависящая от распределений 7г-мезонов по углам (в одной из плоскостей в пучке допускается угловая дисперсия), определяется по рекурентной формуле, а связь между pv и 9г в реляти-

вистском случае дается выражением

0

Выражение для спектра нейтрино было получено в следующих предположениях: а) поперечными размерами пучка ^-мезонов на распадном участке можно пренебречь по сравнению с размерами детектора; б) длина распадного участка намного меньше расстояния до детектора; в) распределение нейтрино по углам при распаде тг-мезонов практически постоянно в пределах углового размера нейтринного детектора ((76d)2 <С 1).

Развитый подход был использовал при расчетах нейтринных спектров для эксперимента "Байкал". При проведении эксперимента для формирования пучков дихроматических нейтрино планируется использовать пучки адронов с импульсами от 25 до 280 ГэВ/с и среднеквадратичным импульсным интервалом 10%. Для пучка 7г+-мезонов с центральным импульсом р,=100 ГэВ/с на рис.6 показаны спектры нейтрино на детекторе, рассчитанные с использованием полученного выражения и по программе HALO: поток нейтрино на детектор составляет 5.6-10-8 нейтрино-протон-1, средний импульс <р„>~36 ГэВ/с, ширина импульсного распределения <7[р„]/<р„>~20%, фон антинейтрино ~2.5% (доля нейтрино, образовавшихся при распадах АГ+-мезонов, составляет в общем потоке на детектор ~5%).

X

о Е о а с

m

а ~и

z тэ

30 50

р.ГэВ /с

Рис. 6. Спектры нейтрино на детекторе при формировании пучка т+-мезонов с р„=100 ГэВ/с и ст[рт]/р„=10%, рассчитанные с использованием полученного аналитического выражения для спектра нейтрино (1) и по программе HALO (2).

• В четвертой главе описывается процедура выбора и оптимизации системы коррекции оси и огибающих пучка, отклонение которых от расчетных значений связано с медленными колебаниями грунта, погрешностями выставления в канале квадрупольных линз и нестабильностью их питания. Система коррекции оптимизируется по количеству корректирующих и детектирующих элементов и их расположению в канале. Естественно, полная оптимизация возможна только на стадии проектирования канала.

Линейную систему коррекции удобно записать в виде

у — Ах + Ве + Д у,

где у — матрпца-столбец отклонений от расчетных значений измеряемых величин; А — матрица преобразования корректирующих параметров; х — матрица-столбец корректирующих параметров; В — матрица преобразования возмущающих параметров; е — матрица-столбец случайных возмущающих параметров; А у — матрица-столбец ошибок измерения величин.

При фиксированном положении корректирующих и детектирующих элементов корректирующие параметры х находятся по методу наименьших квадратов из функционала Ф=(\Уу)т(\Уу), где диагональная весовая матрица V/ введена, чтобы иметь возможность влиять на процесс оптимизации. При этом остаточные нескомпенсированные отклонения от расчетных значений измеряемых величин определяются выражением

Уо

= -А(Ат\¥т\¥А)-1АтЦ'т\¥(Ве + А у) + Ве.

Оптимизация системы коррекции проводится с использованием функционала Ф1=тт8р<у0(.т^(.т> или Ф2=шттах<у„ту^ст>;; для всех положений корректирующих элементов в оптической системе.

Оптимизацию разумно проводить, начиная с одного корректирующего элемента, и постепенно наращивать их количество до достижения приемлемого результата. Предполагается, что детекторы расположены около всех характерных элементов канала (квадрупольные линзы, мишени, делящие элементы), и начало отсчета детекторов согласовало с центрами соответствующих элементов. После оптимизации при полном наборе детекторов, детекторы, в которых остаточные отклонения от рабочей точки измеряемых величин малы, можно исключать из системы коррекции.

При коррекции отклонения оси пучка под у в исходном уравнении понимаются смещения оси пучка в детекторах. Матрица преобразования возмущающих параметров В определяется оптической структурой канала и выбором возмущающих параметров е, задающих смещения квадруполь-ных линз. Рассматриваются смещения линз, вызванные ошибками при их геодезическом выставлении в канале (так называемый метод выставления по трем точкам) и медленными колебаниями грунта (конечное фурье-разложение смещения трассы канала). В первом случае в качестве случайных параметров берутся углы преломления трассы канала в квадрупольных линзах, а во втором случае — амплитуды гармоник. Матрица преобразования корректирующих параметров А зависит только от оптической структуры канала. В качестве корректирующих элементов берутся дипольные магниты-корректоры, а в качестве корректирующих параметров — углы поворотов оси пучка в этих магнитах.

При коррекции огибающих пучка в отличие от коррекции оси, горизонтальную и вертикальную плоскости нельзя считать независимыми. В этом случае под у в исходном уравнении понимаются разности между измеренными и расчетными значениями квадратов огибающих пучка, а компоненты вектора возмущающих параметров е равны отклонениям режимов квадрупольных линз от расчетных значений. Матрица преобразования возмущающих параметров В зависит от оптической структуры канала и начальных размеров пучка на мишени, а столбцы матрицы преобразования корректирующих параметров А набираются из столбцов матрицы В в зависимости от выбора системы квадрупольных линз для коррекции огибающих пучка. При этом компоненты вектора корректирующих параметров х равны добавкам к режимам квадрупольных линз.

В качестве примера приводятся одно- и двухмагнитные системы коррекции оси пучка для горизонтальной плоскости канала транспортировки выведенного протонного пучка УНК от ускорителя до первой станции деления (при выставлении квадрупольных линз по методу трех точек) и для вертикальной плоскости участка мюонного канала на ускорителе SPS от мишени до адронного поглотителя (при гармонических колебаниях туннеля для первых четырех гармоник).

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Рассчитан и оптимизирован новый вариант оптической схемы мюонного канала на ускорителе SPS, проведена настройка канала и исследованы параметры формируемых пучков мюонов. Измеренные параметры (интенсивность, размеры, средняя продольная поляризация, уровень фона) согласуются с расчетными и удовлетворяют требованиям эксперимента.

2. Предложена и оптимизирована с учетом окружающего грунта активная мюонная защита из намагниченного железа (мюонный фильтр) для проведения beam-dump экспериментов. Рассчитаны конкретные варианты мюонного фильтра для УНК и У-600, позволяющие снизить фон на экспериментальной установке до уровня 10~п мюон-протон-1.

3. Разработан канал Е_-гиперонов для УНК с фокусировкой пучка на экспериментальную мишень и активной мюонной защитой из намагниченного железа, которая понижает уровень мюонного фона на экспериментальной установке до 2% от интенсивности пучка гиперонов.

4. Проведен анализ особенностей одновременного формирования пучков мюонов и дихроматических нейтрино. Разработана и рассчитана оптическая схема мюон-нейтринного канала со свободным распадным участком для У-600. Рассчитанные параметры пучков практически не уступают соответствующим параметрам пучков мюонов и дихроматических нейтрино, формируемых в специализированных каналах.

5. Разработала оптическая схема канала дихроматических нейтрино для У-600 для проведения эксперимента "Байкал" и рассчитаны параметры формируемых пучков. Для ускорения оптимизации параметров фокусирующей системы использовано полученное аналитическое выражение для спектра нейтрино на детекторе с малым угловым размером.

6. Предложена процедура выбора и оптимизации систем коррекции оси и огибающих пучка, отклонение которых от расчетных значений связано с погрешностями выставления в канале магнитного оборудования, медленными колебаниями грунта и отклонениями режимов квадрупольных линз от расчетных значений.

Список литературы

[1] Гаркуша В.И., Карташев В.П., Котов В.И., Курочкин И.А., Но-

воскольцев Ф.Н., Узунян A.B. Гиперонныя канала УНК (расчетные характеристики). — Препринт ИФВЭ 88-188. Серпухов, 1988.

I

[2] Öarkusha V.l., Kartashev V.P., Khodyrev Yu.S., Kotov V.l., Novoskoltsev F.N., Prosin B.V., Rzaev R.A., Sakharov V.P., Serebryakov B.A., Turin N.E., Uzunyan A.V., VasiEev V.V., Zaitsev A.M., Zaitsev M.M., Zarucheiski V.G. System of UNK Particle Beams. — In: Proceeding of the Third Workshop "Physics at UNK", 1990. — Protvino, 1991, p-175.

[3] Гаркуша В.И., Карташев В.П., Котов В.И., Новгородов A.JL, Но-воскольцев Ф.Н. Погрешности в каналах частиц и их коррекция. — Препринт ИФВЭ 91-123. Протвино, 1991.

[4] Ammosov V.V., Garkusha V.l., Zarucheiski V.G., Kartashev V.P., Kotov V.l., Mokhov N.V., Novoskoltsev F.N., Uzunian A.V. Muon magnetized iron filter for beam dump experiment. // Nucl. Instr. and Meth. 1993, A 337. p.403; Препринт ИФВЭ 92-106. Протвино, 1992.

[5] Арефьев A.C., Безруков Л.Б., Белолапиков И.А., Буднев Н.М., Васильев П.С., Гаркуша В.И., Гудмен М., Герштейн С.С., Гуров Г.Г., Джилкибаев Ж.-А, Домогацкий Г.В., Дрождин А.И., Караваев Е.В., Карташев В.П., Каршев Ю.Г., Климушин С.И., Кузнецов А.Е., Кузнецов Е.П., Ломоносов Б.Н., Митрофанов И.И., Новоскольцев Ф.Н., Осипова Э.А., Парфенов Ю.В., Рябов В.А., Соколов A.A., Сапунов Ю.М., Смотряев В.А., Тростин И.С., Уткина В.В., Ходырев Ю.С., Царев В.А., Чечни В.А., Язынин И.А. Исследование осцилляции нейтрино с использованием пучков от ускорителя УНК-I на энергию 600 ГэВ. — В кн.: Материалы рабочего совещания "УНК-600",

1993. — Протвино, 1994, с.174; Препринт ИФВЭ 94-36. Протвино,

1994.

[6] Doble N., Gatignon L., von Holtey G., Novoskoltsev F. The upgraded muon beam at the SPS. // Nucl. Instr. and Meth., 1994, A343, p.351; CERN/SL/93-26(EA). 1993.

[7] Карташев В.П. и Новоскольцев Ф.Н. Комбинированный мюон-нейтринный канал со свободным распадным участком.— Препринт ИФВЭ 94-28. Протвино, 1994.

[8] Галкин П.И., Гаркуша В.И., Зайцев A.M., Зайцев М.М., Карташев В.П., Караваев Е.В., Котов В.И., Новоскольцев Ф.Н., Узунян A.B. Каналы частиц на ускорителе У-600. — В кн.: Материалы рабочего совещания "УНК-600", 1993. — Протвино, 1994, с.9.

Рукопись поступила 16 января 1995 г.