Проект «Кристаллооптика» Ю.М.Иванов (ПИЯФ) Научный Совет по Программе фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика элементарных частиц и фундаментальная ядерная физика» Москва, ИЯИ РАН, 21 декабря 2007

Проект включает: Исследование каналирования высокоэнергетичных заряженных частиц в изогнутых кристаллах с целью создания новых методов отклонения, фокусировки, коллимации и вывода пучков на ускорителях высоких энергий и суперколлайдерах; Исследование мезорентгеновского излучения экзотических (пионных, каонных, антипротонных и гиперонных) атомов кристалл-дифракционным методом с целью определения масс и моментов элементарных частиц и констант их взаимодействия с ядрами.

Основные полученные и планируемые результаты: Экспериментальное обнаружение и исследование эффекта упругой квазимозаичности в изогнутых монокристаллах кремния Экспериментальное обнаружение и исследование эффекта объемного отражения протонов высокой энергии в изогнутых кристаллах Разработка методов коллимации пучков Большого Адронного Коллайдера (LHC) с помощью изогнутых кристаллов.

О возможном применении исследований From LHC Project Report 918 (2006): The basic idea of crystal based collimation for the LHC is to use bent crystals for channelling and extracting the halo protons at 6 σ from the central beam orbit onto a special absorber where they hit with large offsets (impact parameters). Due to large extraction angles and high impact parameters the extracted halo protons can in principle be efficiently removed from the LHC beam. For example, a channelling and extraction efficiency of 90% would leave 10 times less load on the standard collimation system, enhancing its performance by a factor of 10.

Выполненные и планируемые эксперименты: с рентгеновским излучением (ПИЯФ) 2002 на p-пучке 70 ГэВ (У-70 ИФВЭ) на p-пучке 70 ГэВ ( кольцо У-70 ИФВЭ) на p-пучке 1 ГэВ (ПИЯФ) на p-пучке 450 ГэВ (SPS CERN) на e + и e пучках 180 ГэВ (SPS CERN) на p-пучке 120 ГэВ (кольцо SPS CERN) на пучке 980 ГэВ (кольцо Tevatron FNAL) на пучке 7 ТэВ (кольцо LHC CERN)

В исследованиях принимают участие: Институты: - ПИЯФ РАН (Гатчина); - ГНЦ ИФВЭ (Протвино); - ОИЯИ (Дубна) - INFN (Ferrrara, Lehnaro, Rome, Perugia, Trieste, Italy); - CERN (Geneva, Switzerland); - FNAL (Batavia, USA). Подразделения ПИЯФ: - Лаборатория мезоатомов ОФВЭ ПИЯФ; - Отдел радиоэлектроники ОФВЭ ПИЯФ; - Отдел полупроводниковых ядерных детекторов ОНИ ПИЯФ; - ЦКБ ПИЯФ; - ЦЭТО ПИЯФ.

Начало исследований связано с экспериментом по многооборотному выводу протонного пучка из У-70 в ИФВЭ с помощью короткого изогнутого кристалла

Схема эксперимента на У-70

Кристаллы-полоски (ИФВЭ) Размеры 3 x 1 x 60 mm 3

О-кристаллы (ПИЯФ) Размеры 5 x 5 x 50 mm 3

Установка кристаллов в кольцо У-70

Полученные результаты Длина кристаллов по пучку 2-7 mm Эффективность вывода 20-85% Интенсивность выведенного пучка ~1x10 12 Радиационная стойкость ~10 20 (продолжает работать с эффективностью ~ 40%)

Зависимость эффективности вывода от длины кристалла

Как еще уменьшить длину изогнутого кристалла вдоль пучка? Использовать эффект упругой квазимозаичности.

В.М.Самсонов и Е.Г.Лапин, О нескольких возможностях и особенностях использования изогнутого кристалла в кристалл-дифракционных приборах, Препринт ЛИЯФ 587, 1980, Ленинград T – толщина пластины k 9 – изгиба коэффициент Изгиб = 2k 9 T

Эффект упругой квазимозаичности в кремнии: искривление плоскости (111), нормальной большим граням изгибаемой пластины Кривые качания до и после изгиба пластины на K α1 Mo Ю.М.Иванов, А.А.Петрунин и В.В.Скоробогатов, Письма в ЖЭТФ 81, 129 (2005) Зависимость коэффициента k 9 от угла выреза пластины для радиуса изгиба 1 м Ориентация пластины относительно атомных плоскостей

Изгибающее устройство

Схема эксперимента на выведенном пучке протонов с энергией 70 ГэВ в ИФВЭ (2002) Crystal 1 Magnets Crystal 2 Emulsion 1 S1 S2 S3 Background Channeled_1 30 m 35 m 4.6 m Collimator 1.3 m Emulsion 2 Channeled_2 70 GeV p-beam 5 m R=3 m

Профиль протонного пучка, прошедшего через кристалл толщиной 0.7 мм вдоль пучка, измеренный с помощью фотоэмульсии C – каналирование Почему A и В ?

Объяснение профиля пучка на фотоэмульсии [Yu.M.Ivanov et al.PRL 97, (2006)] Траектории протонов в горизонтальной плоскости

О.И.Сумбаев, В.М.Самсонов и др. (1982) Наблюдение эффекта объемного захвата

А.М.Таратин и С.А.Воробьев (1985) А.М.Таратин и С.А.Воробьев, ЖТФ 55, 1598 (1985) Объяснение эффекта объемного захвата через многократное рассеяние

О.И.Сумбаев (1986) О.И.Сумбаев, К теории объемного захвата протонов в режим каналирования изогнутыми кристаллами, препринт ЛИЯФ-1201, Ленинград, 1986 Первое упоминание об «отраженных» протонах

А.М.Таратин и С.А.Воробьев, 1987 A.M.Taratin and S.A.Vorobiev, Phys.Lett. A119 (1987) 425 and A.M.Taratin and S.A.Vorobiev, NIM in PR B26 (1987) 512 Предсказание отклонения отраженных частиц

Каналирование в плоском кристалле (модель с прямоугольным потенциалом) U0U0 U0U0 U0U0 U0U0 θ1θ1 θ1θ1 Channeled ( Ландау и Лифшиц, Механика )

Каналирование и объемное отражение в изогнутом кристалле (модель с прямоугольным потенциалом) U0U0 U0U0 U0U0 U0U0 U0U0 θ1θ1 θ3θ3 θ2θ2 Reflected Channeled

Volume Reflection of 1-GeV Protons by a Bent Silicon Crystal Yu.M.Ivanov, N.F.Bondar, Yu.A.Gavrikov, A.S.Denisov, A.V.Zhelamkov, V.G.Ivochkin, L.P.Lapina, S.V.Kosyanenko, A.A.Petrunin, V.V.Skorobogatov, V.M.Suvorov, A.I.Shchetkovsky (PNPI) A.M.Taratin (JINR) W.Scandale (CERN) Published in JETP Letters, 2006, Vol. 84, No. 7, pp. 372–376.

Layout of the experiment with 1 GeV protons at PNPI, Gatchina Beam divergence ~ 160 μrad Beam size ~ 0.08 mm Critical angle for channeling ~ 170 μrad Crystal length along beam ~ 30 μm Bend angle of (111) planes ~ 380 μrad

Horizontal profiles of the p-beam vs. crystal angle measured with PPC p-beam reflection channeling p-beam Crystal angle, step 62.5 μrad Channel number, step 200 m

Results Deflection angle of reflected protons: 2 R ~ 240 rad = 1.4 c Probability of the volume reflection: P R ~ 0.7 Probability of the volume capture: P VC ~ 0.3

Channeling experiment with 400 GeV protons at SPS CERN (H8-RD22 Collaboration, 2006) H8 beam line FAR_DETECTOR area CRYSTAL area

Main Result

Наблюдение эффекта объемного отражения от двух кристаллов (H8-RD22, 2007)

QM2+QM1

QM2

Channeling angle ( ) μrad Volume reflection deflection ( ) μrad Volume capture ε ( ) %

QM1

Channeling angle ( ) μrad Volume reflection deflection ( ) μrad Volume capture ε ( ) %

Кристаллы не выстроены Кристаллы выстроены

QM2+QM1 Channeling angle Volume reflection deflection ( ) μrad Volume capture ε (5 1) %

Наблюдение эффекта объемного отражения от пяти кристаллов (H8-RD22, 2007)

Кристаллы не выстроены Кристаллы выстроены ~55 мкрад

Многополосковый кристалл (8 стрипов), разработан в ИФВЭ ~70 мкрад

Другие результаты в 2007 Многократное объемное отражение в изогнутом кристалле вблизи осевого каналирования Объемное отражение и радиация при объемном отражении электронов и позитронов с энергией 180 ГэВ Каналирование и объемное отражение в кристаллах с разным Z (алмаз, германий)

Планы в Продолжить исследование эффективности каналирования и многократного объемного отражения для применения в системе коллимации пучков LHC Провести эксперименты в кольцах SPS, Tevatron и LHC

Дополнительные слайды

Samples 0.3 mm and 2.7 mm with ~0.4 mrad bending angle

Sample 10 mm with ~100 μrad bending angle

Crystals for experiment on extraction of high entensive proton beam at IHEP Plane (111) Length along beam 2.65 mm Bending angle 400 μrad

Crystal mounted on station

Result Beam in the U-70 ring p Intensity of extracted beam p Efficiency 70%

Некоторые результаты опытов по кристаллической коллимации пучков на коллайдерах

Crystal collimation at RHIC (BNL-IHEP, )

Crystal collimation at RHIC STAR

Volume capture occurs when the crystal angle is between 900 and 1200 μrad. At these angles, the particles are not aligned to the planes upon entering the crystal, but can scatter into the planes after traversing some distance in the crystal. Phys.Rev.ST, 9, (2006) 40 turns Crystal collimation at RHIC

Crystal collimation at RHIC (slide from report of A. Drees to CC-2005 at CERN, March 7-8, 2005)

Crystal collimation at Tevatron ring (Fall 2005)