Des chercheurs russes proposent une conception compacte de « serpent sibérien » pour le collisionneur NICA afin de contrôler la polarisation des protons

Des experts de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Institut conjoint de recherches nucléaires ont proposé une conception compacte de dispositif à champ magnétique de type « serpent sibérien » pour le collisionneur russe NICA. Ce dispositif utilise un champ magnétique transversal et vise à maintenir la direction du spin des protons lors de leur accélération jusqu'à 13,5 GeV, ainsi qu'à contrôler la direction de polarisation pendant les expériences. Les simulations numériques de polarisation des protons correspondantes montrent que cette conception peut efficacement supprimer la dépolarisation du faisceau.

Complexe accélérateur NICA en Russie Service de presse de l'Institut de physique et de technologie de Moscou

Dans un accélérateur, le faisceau de protons se déplace le long d'une orbite fermée, et le spin des particules précesse autour d'un axe de rotation spécifique. Lorsque le faisceau atteint certaines énergies, le spin peut entrer en résonance avec les perturbations magnétiques périodiques de la structure annulaire, provoquant une dépolarisation du faisceau ; en l'absence de moyens de contrôle spécifiques, l'état de polarisation du faisceau requis pour les expériences serait difficile à maintenir.

Les études de spin au détecteur de physique du spin du collisionneur NICA nécessitent un faisceau avec une polarisation vectorielle supérieure à 80 % et une luminosité maximale atteignant 10³² cm⁻² s⁻¹. En outre, le système doit également permettre une inversion rapide du spin des particules pendant les expériences, afin de réduire les erreurs systématiques causées par l'asymétrie des détecteurs et les défauts structurels de l'accélérateur.

Dans le cadre de l'infrastructure de recherche sur la polarisation du spin de NICA, l'équipe de recherche développe la méthode de « transparence de spin ». Cette méthode consiste à installer des structures identiques de « serpent sibérien » dans des régions opposées du collisionneur, faisant ainsi pivoter le spin des particules de 180 degrés, ce qui affaiblit l'influence des aimants dipolaires structurels sur la polarisation du faisceau ; elle est complétée par un « navigateur de spin » à champ magnétique faible pour stabiliser la dynamique du spin, afin d'obtenir la direction de polarisation requise par les détecteurs.

Schéma du complexe accélérateur NICA à Doubna. Le « serpent sibérien » est situé dans une section droite spéciale de l'anneau du collisionneur

Les chercheurs avaient envisagé d'installer un « serpent sibérien » basé sur des solénoïdes dans la structure optique de l'accélérateur, mais l'intégrale du champ longitudinal de ce type de solution doit être proportionnelle à l'impulsion des particules, ce qui impose des exigences élevées en matière d'espace d'installation. En comparaison, l'intégrale de champ du « serpent sibérien » à champ transversal varie peu avec l'énergie, ce qui le rend plus adapté aux applications à haute et très haute énergie.

Serpent sibérien hélicoïdal observé sur le synchrotron AGS et le collisionneur RHIC

Dans leur article, l'équipe de recherche propose de remplacer les aimants hélicoïdaux complexes par un ensemble d'aimants dipolaires supraconducteurs conventionnels à direction de champ alternée. Cette solution permet de réduire la déviation orbitale à basse énergie : à 3,5 GeV, la déviation orbitale est d'environ 4 cm, ce qui reste dans les limites de l'ouverture des aimants. En comparaison, une solution similaire à aimants hélicoïdaux, si elle était appliquée à NICA, pourrait atteindre une déviation orbitale de 20 cm à 3,5 GeV, dépassant l'ouverture des aimants du collisionneur.

Sur la base du « serpent sibérien » dipolaire et de la technique de stabilisation par navigateur de polarisation longitudinale, les chercheurs ont effectué des simulations numériques de la dynamique du spin lors de l'accélération des protons en mode de transparence de spin du collisionneur NICA. Les résultats montrent que, pendant l'accélération jusqu'à 13,5 GeV, l'écart de la composante longitudinale du spin du faisceau ne dépasse pas 5 %, ce qui indique que cette solution à aimants dipolaires peut supprimer la dépolarisation résonante sur toute la plage d'énergie de fonctionnement de NICA.

Les résultats de ces recherches ont été publiés dans la revue « Lettres de physique électromagnétique » et ont bénéficié du soutien du projet de la Fondation scientifique russe. Les chercheurs indiquent que, par rapport à la structure hélicoïdale du « serpent sibérien », la solution basée sur des aimants dipolaires standard contribue à réduire les contraintes d'ouverture à basse énergie, rendant le dispositif plus compact et la structure plus simple, et offre une voie technique pour les études de spin de précision des protons polarisés à NICA.