Российские учёные предложили новую схему измерения электрического дипольного момента протона и дейтрона на одном накопительном кольце

21 августа, исследователи из Московского физико-технического института, Института ядерных исследований РАН, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН предложили новый экспериментальный подход, позволяющий изучать электрический дипольный момент протона и дейтрона на одном накопительном кольце. Данная схема может быть использована как для специально создаваемых новых установок, так и, как ожидается, реализована в модернизированных существующих ускорительных комплексах.

Электрический дипольный момент протона и дейтрона отражает асимметрию внутреннего распределения заряда частицы относительно направления спина. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение отлично от нуля, но крайне мало, составляя около 10⁻³¹ е·см, что значительно ниже текущей экспериментальной чувствительности. Если эксперимент позволит обнаружить сигнал электрического дипольного момента в пределах достижимой точности, это даст важные ключи к поиску новой физики за пределами Стандартной модели.

Такие измерения также тесно связаны с проблемой асимметрии материи и антиматерии. Электрический дипольный момент крайне чувствителен к CP-нарушению, и результаты экспериментальных измерений помогут проверить, существуют ли в природе источники CP-нарушения, отличные от известных механизмов.

Поскольку сигнал электрического дипольного момента чрезвычайно слаб, эксперименты обычно требуют использования накопительного кольца, где поляризованный пучок частиц многократно циркулирует по замкнутой орбите, а изменения направления спина регистрируются поляриметром. Сложность заключается в том, что магнитный дипольный момент частиц вызывает более сильную прецессию спина, которая маскирует сигнал электрического дипольного момента. Поэтому исследователям необходимо поддерживать спин частиц в «замороженном» или «квазизамороженном» состоянии относительно направления пучка.

Традиционная схема «замороженного спина» для протона основана на чисто электростатическом накопительном кольце, где при определённой энергии спин протона может сохранять направление, совпадающее с направлением движения. Однако знак аномального магнитного момента дейтрона отличается, и чисто электростатическая схема напрямую неприменима — обычно требуется одновременное использование электрического и магнитного полей. Это также означает, что при традиционном подходе измерения протона и дейтрона часто требуют ускорительных колец различной конфигурации.

В данном исследовании используется подход «квазизамороженного спина»: спин не остаётся фиксированным на протяжении всего кольца, а после отклонения на отдельных участках компенсирующие элементы нейтрализуют накопленное вращение, возвращая его к исходному состоянию после каждого повторяющегося блока. Исследовательская группа рассчитала требования к минимальной длине компенсирующих элементов и сравнила динамику движения и поведения спина протона и дейтрона в одной и той же кольцевой структуре.

В предложенной структуре накопительного кольца магнитные элементы отвечают за поддержание орбиты пучка, а компенсаторы размещаются на прямолинейных участках для нейтрализации вращения спина, накапливаемого при прохождении частиц через магнитные дуги. Исследователи проанализировали две конструкции компенсаторов: одна представляет собой фильтр Вина, использующий скрещенные электрическое и магнитное поля для регулировки направления спина; другая — схема из электростатических отклоняющих элементов, предназначенная для одновременного воздействия на отклонение пучка и состояние спина.

Результаты расчётов показывают, что данная конфигурация применима как для дейтрона, так и для протона. При переключении между различными режимами частиц требуется изменять полярность или направление компенсаторов, а также менять энергию пучка. Для дейтрона в пределах 16 периодов кольца сохраняется около 99% эффективного сигнала по сравнению с идеальным состоянием замороженного спина; для протона та же структура сохраняет около 80% эффективного сигнала. Исследователи полагают, что это даёт ориентиры для выбора количества повторяющихся блоков накопительного кольца и проектирования чувствительности при измерениях протона.

Однако при оптимальной энергии протонного пучка требуемая длина компенсатора почти в пять раз превышает таковую для дейтронного пучка. Для проведения измерений обоих типов частиц на одном кольце исследовательская группа предложила снизить энергию протона, чтобы сократить длину компенсатора, но это соответственно приведёт к снижению чувствительности протонных измерений.

Исследователи отмечают, что данный метод приближает измерения электрического дипольного момента протона и дейтрона к реальным экспериментальным условиям, а также может быть использован для контроля поляризации, исследований пучков с более высокой энергией и поиска аксионоподобных частиц. В будущем соответствующая группа планирует проверить метод квазизамороженного спина и достичь времени когерентности спина порядка 1000 секунд. Российский комплекс NICA-Nuclotron считается перспективным для проведения подобных исследований, также обсуждаются варианты строительства отдельного накопительного кольца.