Российские учёные предложили новый метод измерения электрического дипольного момента протона и дейтрона в одном накопительном кольце

Физики из нескольких российских научных организаций предложили новый метод поиска электрического дипольного момента протона и дейтрона, который позволит изучать обе частицы в одном накопительном кольце. В числе участников — Московский физико-технический институт, Институт ядерных исследований РАН, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» и Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН. Результаты исследования опубликованы в журнале «Ядерная наука и техника» и поддержаны грантом Российского научного фонда.

Электрический дипольный момент отражает наличие или отсутствие малой асимметрии между внутренним распределением заряда частицы и направлением её спина. Согласно предсказаниям Стандартной модели, электрический дипольный момент протона и дейтрона хотя и не равен нулю, но крайне мал — порядка 10⁻³¹ e·см, что значительно ниже чувствительности современных экспериментов. Если эксперимент зафиксирует более высокий уровень электрического дипольного момента, это может указать на новую физику за пределами Стандартной модели.

Такие измерения связаны также с проблемой асимметрии вещества и антивещества. Электрический дипольный момент чрезвычайно чувствителен к CP-нарушению, и его прецизионное измерение может помочь проверить, существуют ли в природе механизмы CP-нарушения помимо известных источников.

В экспериментальной практике физики обычно используют накопительные кольца, где поляризованный пучок лёгких ядер многократно проходит по замкнутой орбите, а изменение направления спина частиц регистрируется поляриметром. Сложность заключается в том, что магнитный дипольный момент частиц вызывает прецессию спина, значительно превосходящую по величине эффект электрического дипольного момента. Чтобы выделить слабый сигнал электрического дипольного момента, исследователям необходимо скомпенсировать эту прецессию, приведя спин частиц в состояние «замороженного» или «квазизамороженного» относительно направления пучка.

Традиционная схема «замороженного спина» для протона опирается на чисто электростатическое накопительное кольцо; однако из-за различия знаков аномального магнитного момента дейтрона реализовать замороженный спин для него тем же способом невозможно — требуется одновременное использование электрического и магнитного полей. Это означает, что измерения для протона и дейтрона ранее требовали разных кольцевых конфигураций, что также затрудняло прямое встраивание таких установок в существующие ускорительные системы, где траектория пучка управляется магнитными элементами.

В данной работе используется подход «квазизамороженного спина». Этот метод не требует, чтобы спин оставался фиксированным на протяжении всего кольца; вместо этого в части области кольца спину позволяют отклоняться, а затем специальные компенсирующие элементы нейтрализуют накопленный поворот, так что после каждого повторяющегося сегмента кольца спин практически возвращается в исходное состояние.

Исследовательская группа сравнила поведение протона и дейтрона в одной и той же кольцевой структуре и определила требования к минимальной длине компенсирующих элементов. В предложенной схеме магнитные элементы отвечают за поддержание траектории пучка, а компенсаторы размещаются на прямолинейных участках и служат для нейтрализации накопленного поворота спина при прохождении частиц через магнитные дуги. Учёные проанализировали два типа компенсаторов: фильтр Вина, в котором скрещенные электрическое и магнитное поля регулируют спин, практически не изменяя траекторию пучка, и комбинацию электростатических дефлекторов, которые отклоняют пучок и воздействуют на спин, после чего возвращают частицы на требуемую орбиту.

Расчёты показывают, что данная конфигурация применима одновременно для дейтрона и протона. Переключение между режимами работы осуществляется в основном за счёт изменения полярности или направления компенсаторов и подстройки энергии пучка. Для дейтрона на 16 периодах кольца сохраняется около 99% эффективного сигнала по сравнению с идеальным состоянием замороженного спина; для протона в той же структуре сохраняется около 80% эффективного сигнала. Исследователи полагают, что это задаёт чёткие проектные требования для измерений протона: кольцевая структура должна содержать достаточное число повторяющихся участков, иначе чувствительность снизится.

В работе также отмечается, что при оптимальной энергии требуемая длина компенсаторов для протонного пучка почти в пять раз превышает таковую для дейтронного пучка. Чтобы обеспечить измерения обеих частиц в одном накопительном кольце, коллектив предлагает снизить энергию протонов, что сократит длину компенсаторов, однако это также приведёт к снижению чувствительности протонных измерений.

Исследователи заявляют, что следующим шагом станет экспериментальная проверка метода квазизамороженного спина и достижение времени спиновой когерентности 1000 секунд, а также разработка других способов регистрации сигнала электрического дипольного момента. В перспективе данная схема может быть реализована на комплексе NICA-Nuclotron, а также рассматривается возможность создания отдельного накопительного кольца. Конфигурация может найти применение и для управления поляризацией, исследований пучков с более высокой энергией и поиска аксионоподобных частиц.