Охлаждение пучка антипротонов

Неожиданно и очень эффектно понятие температуры было использовано в идее создания протонных и антипротонных пучков, высказанной Г. И. Будкером.

Много лет назад, обсуждая происхождение космических лучей, Ферми рассматривал возможность ускорения частиц хаотическими магнитными полями в космосе. Возник вопрос, будут ли частицы ускоряться или замедляться, пролетая "магнитные облака". В статье Ферми по этому поводу написано: "Рассмотрим теперь быструю частицу, движущуюся среди таких блуждающих магнитных полей. Если этой частицей является протон с энергией несколько ГэВ, то он будет двигаться вокруг силовой линии по спирали с радиусом около 10¹² см до тех пор, пока не произойдет "соударение" с неоднородностью магнитного поля. При этом протон отражается несколько беспорядочным образом: в результате соударения может произойти как выигрыш, так и потеря энергии. Однако выигрыш энергии более вероятен, чем потеря. К этому выводу легче всего прийти, если заметить, что в конечном счете должно установиться статистическое распределение между степенями свободы блуждающих полей и степенями свободы частицы. Ясно, что равномерное распределение (по степеням свободы) соответствовало бы невообразимо высокой энергии...". В идеальном случае энергия протона должна была бы сравняться с энергией грандиозного облака. Этого, конечно, не произойдет.

Дальше в статье Ферми обсуждаются причины, которые не дадут установиться статистическому тепловому равновесию. Можно сказать, что передача тепла от блуждающих полей к протонам будет происходить очень медленно, но направление потока энергии от полей к протонам устанавливается безошибочно. Красивое рассуждение, основанное на аналогии с выравниванием температуры, позволило просто получить качественное решение трудной задачи.

Похожие рассуждения привели Г. И. Будкера к идее, которую сейчас используют на ускорителях. Пучок антипротонов, получаемый на ускорителе, состоит из частиц, импульсы которых разбросаны по направлениям. Это значит, что у частиц существует случайно распределенный поперечный импульс, причем ширина этого распределения довольно велика. Надо уменьшить этот разброс. Импульс в направлении пучка (продольный импульс) также несколько разбросан по величине, но этот разброс нас не интересует - он замаскирован большим импульсом частиц в пучке.

Распределение поперечных импульсов можно характеризовать некоторым подобием температуры. Чем больше разброс, тем больше "поперечная" температура пучка.

Идея состояла в том, чтобы вместе с пучком антипротонов, в смеси с ним, направить пучок электронов. Пучок электронов может быть сделан с очень малым разбросом поперечных импульсов, т. е. он будет иметь низкую "поперечную" температуру. Но если разброс импульсов у электрона мал, то электроны находятся в более упорядоченном состоянии (это и значит, что их поперечная температура мала, а у тяжелых частиц разброс велик - их температура выше) и возникает поток тепла от антипротонов к электронам. Поэтому пучок антипротонов будет "охлаждаться", а электронный пучок - "нагреваться". Разброс поперечных скоростей антипротонов будет уменьшаться. Это заключение можно было сделать, совсем не рассматривая подробности процессов взаимодействия антипротонов и электронов.

Такой способ коллимирования пучка антипротонов обещает быть эффективным. Для протонов метод охлаждения может сильно упростить работу по созданию "хороших" пучков, а для антипротонов без охлаждения вообще не видно путей к созданию пучка, пригодного для опытов. "Холодильник" Будкера представляет собой самый удивительный из холодильников.