Структура и задачи ускорительного комплекса FAIR A.Сидорин, ОИЯИ

История развития тяжелоионного комплекса в GSI и современное состояние проекта FAIR Физика редких изотопов (NUSTAR) Фазовые переходы в сильновзаимодействующей материи (CBM) Исследования с антипротонами (HESR (PANDA), PAX, FLAIR)

UNILAC - the Universal Linear Accelerator 1975 г г – модификация и модернизация для работы в составе SIS-ESR В настоящее время модернизация для работы в составе FAIR

Прецизионные измерения масс и времени жизни редких изотопов 18 Тл м: 4.5 ГэВ протоны 196 МэВ/нукл 238 U +28 Г. Мюнценберг SIS-ESR 1990 г

Для расширения экспериментальных Возможностей необходимо повысить энергию первичного пучка: SIS ГэВ/нукл U 28+ Широкий спектр вторичных частиц, с интенсивностью, достаточной для создания электрон-ионного коллайдера с высокой светимостью SIS100 экономичный, быстроциклирующий синхротрон с магнитами «Нуклотронного» типа (ОИЯИ) Но SIS ГэВ протоны Производство антипротонов

Norbert Angert for the Study Group, Май 2001, конференция по охлаждению пучков, Bad Honnef, Германия

B.Franzke, Февраль 2002, Рабочее совещание по физике редких изотопов, GSI – RIKEN, Hirschegg, Австрия «Новый экспериментальный комплекс»

2006 FAIR Baseline Technical Report

Ускоритель Периметр, м Магнитная жесткость, Тл м Энергия частиц Синхротрон SIS ГэВ/нукл U ГэВ протоны Синхротрон SIS ГэВ/нукл U 92+ Коллектор (Collector Ring CR) ГэВ/нукл U ГэВ антипротоны Аккумулятор (Recycled Experimental Storage Ring – RESR) ГэВ/нукл U ГэВ антипротоны Новый экспериментальный накопитель (New Experimental Storage Ring – NESR) ГэВ/нукл U 92+ Накопитель антипротонов высокой энергии (High Energy Storage Ring – HESR) ГэВ антипротоны

Facility for Low energy Antiproton and Ion Research (FLAIR) Polarized Antiproton eXperiment PAX

До 4 физических программ могут быть реализованы в параллель

C.Dimopoulou on behalf of FAIR technical division, RuPAC 2008, Звенигород, сентябрь 2008

Разработана стратегия поэтапной реализации проекта, заключающаяся в последовательном создании 6 модулей (0 – 5). Модули 0 – 3 будут созданы в течении ближайших 8 лет, 4 и 5 как только будет обеспечено дополнительное финансирование.

Физика редких изотопов: Генерация Сепарация Эксперименты на фиксированных мишенях Охлаждение Эксперименты в NESR Для чего все это нужно?

Структура комплекса для исследования редких изотопов

1. Пучок ионов урана из SIS100 направляется на мишень

2. Фрагмент сепаратор выделяет требуемый изотоп (Модуль 2)

Используя различные ионы в первичном пучке и мишень из разных материалов можно получить широкий спектр изотопов

3.1. Эксперименты с фиксированной мишенью (Модуль 2) 3.2. Эксперименты с циркулирующим пучком (Модуль 4)

4. В CR производится быстрое уменьшение разброса по импульсу и угловой расходимости После этого производится стохастическое охлаждение пучка

ИЯФ им. Будкера 5. Эксперименты в NESR Внутренняя мишень

Прецизионное измерение массы и времени жизни Среднеквадратичный радиус и распределение вещества внутри ядра: упругое рассеяние протонов в схеме с инверсной кинематикой на внутренней мишени Среднеквадратичный радиус и распределение заряда внутри ядра: упругое рассеяние электронов – электрон-ионный коллайдер Отклонение формы ядра от сферичной: сверхтонкое расщепление энергетических уровней – эксперимент на внутренней мишени, лазерная спектроскопия Распределение вещества – антипротон-ионный коллайдер 4. Исследования свойств ядер в NESR Научные центры реализующие аналогичную программу: Лаборатория Ядерных Реакций им. Флерова, ОИЯИ, Дубна, GANIL (Франция), TRIUMF (КАНАДА), RIKEN (Япония), IMP (Китай)

Зачем все это нужно? Фундаментальная задача: завершение теории ядерных оболочек Прикладная задача: управление внутриядерными процессами

Теория ядерных оболочек Целевые ядра: изотопы никеля (Z=28) и олова (Z=50). Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие магическое число протонов (2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 164) Или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, 196, 228, 272, 318)

Твердотельный гамма-лазер, управление внутриядерными процессами 1926 год, Артур Стэнли Эддингтон: «Распад радия является событием спонтанным, если атом радия изолированная система. Но этот распад можно стимулировать полем гамма-излучения той же частоты, которую имеют испускаемые при распаде радия гамма-лучи» год, Виталий Лазаревич Гинзбург: «создание гамма-лазера относится к числу важных и принципиальных физических проблем». Аналогично обычному лазеру создается инверсная заселенность между двумя уровнями возбуждения – но ядер, а не атомов или молекул. Наилучший кандидат в настоящее время – изотоп осмия 187, имеющий аномально большое время жизни возбужденного состояния ядра год, Рональд Рейган «Стратегическая Оборонная Инициатива»: Использование твердотельного гамма-лазера с накачкой от ядерного взрыва для противоракетной обороны

Фазовые переходы в сильновзаимодействующей материи (Compressed Baryonic Matter – CBM)

В начале ХХ века предполагалось, что солнечная энергия выделяется за счет химических реакций 1938 г. Х.Бете теоретически предсказал механизм энерговыделения связанный с термоядерной реакцией синтеза 1943 г. К.Сейферт открыл галактики с активными ядрами: Активное ядро – объект размерами < 1 парсека (3.26 светового года), по энерговыделению превосходит все звезды нашей галактики Возможный источник – фазовые переходы в плотной и горячей сильновзаимодействующей материи

heat compression NICA

Детектор CBM – основной потребитель пучка SIS300

ОИЯИCERNBNLFAIR

Антипротоны в FAIR

HESR: эксперимент с внутренней мишенью Исследования сильных взаимодействий с антипротонами PANDA детектор Циркулирующий пучок антипротонов Внутренняя мишень

PAX Polarized Antiproton eXperiment Включает в себя два дополнительных кольца: Поляризатор (APR) + антипротонное кольцо Коллайдера (CSR) и линейный ускоритель поляризованных протонов Протон-антипротонный коллайдер с поляризованными пучками F. Rathmann, P.Lenisa

Структура комплекса антипротонов высокой энергии (разрабатывается в исследовательском центре Юлих)

FLAIR LSR USR+LEPTA Атомная физика, генерация антиводорода на лету и в ловушках Facility for Low energy Antiproton and Ion Research

Университет Пенсильвании, США, проект AIMstar Космический корабль ICAN-II: полет на Марс за 40 дней Двигатель на основе ACMF (Antiproton catalyzed microfission), 140 нанограмм антивещества + 1 тонна урана

В настоящее время стоимость антипротонов ~ $10 триллионов за грамм, стоимость антиводорода ~ x нг ~ антипротонов ~ 0.01 Кл: только антиводород Проекты ATHENA, ATRAP (CERN), LEPTA (ОИЯИ)

SIS100 – магниты «Нуклотронного» типа до 2 Тл; SIS300 - cos 6 Тл магниты; HESR - cos 4 Тл магниты. Ускорители со сверхпроводящими магнитными системами Применение охлаждения пучков в накопителях FAIR CR – стохастическое охлаждение; HESR – стохастическое и электронное охлаждение; NESR – электронное охлаждение. FLAIR – электронное + стохастическое охлаждение, позитронное охлаждение антипротонов

Спасибо за внимание, Ваше участие в FAIR – решающее