Электрический дипольный момент протонов и дейтронов отражает неравномерность распределения электрического заряда внутри частицы относительно направления ее спина. Стандартная модель предсказывает для него ненулевое крайне малое значение — 10−31 e см. Эта величина значительно ниже чувствительности современных экспериментов. Поэтому регистрация электрического дипольного момента на достижимом сегодня уровне стала бы важным аргументом в пользу новой физики и позволила бы проверить различные теории, расширяющие Стандартную модель.
Такие измерения связаны с одной из главных загадок фундаментальной физики — преобладанием материи над антиматерией во Вселенной. Андрей Сахаров сформулировал три условия, необходимые для возникновения избытка материи. Одно из них — нарушение CP-симметрии. Это значит, что законы физики не меняются, если частицы заменить античастицами и одновременно отразить систему как в зеркале. Электрический дипольный момент чувствителен к такому нарушению: его экспериментальное обнаружение помогло бы проверить, есть ли в природе дополнительные источники CP-нарушения помимо уже известных.
Поскольку ожидаемая величина электрического дипольного момента чрезвычайно мала, ее измерение требует высокой точности. Для накопления статистики физики используют накопительное кольцо, в котором пучок поляризованных легких ядер многократно движется по замкнутой траектории. Важно, чтобы спины всех частиц в пучке прецессировали согласованно, то есть сохраняли общую ориентацию при вращении, иначе сигнал теряется. Изменение поляризации регистрируется с помощью поляриметра — прибора, который определяет направление спинов по характеру рассеяния частиц на специальной мишени.
Однако точному измерению электрического дипольного момента мешает намного более сильная прецессия спина, обусловленная магнитным дипольным моментом частиц. Чтобы изолировать слабый сигнал электрического дипольного момента, эту прецессию необходимо компенсировать, то есть заморозить или квазизаморозить спин относительно направления движения пучка.
Классический метод «замороженного спина» для протона реализуют в чисто электростатическом накопительном кольце. В нем траектория частиц формируется за счет электростатических элементов. При определенной энергии спин протона остается направленным по направлению движения частиц, что компенсирует влияние магнитного дипольного момента на спин. Благодаря этому возможно измерить эффект, связанный с электрическим дипольным моментом.
Для дейтрона из-за другого знака аномального магнитного момента такой энергии нет, поэтому чисто электростатический вариант замороженного спина для него не работает. Замороженный спин дейтрона можно реализовать с помощью комбинированных элементов, в которых одновременно используются электрическое и магнитное поля.
Таким образом, традиционные схемы для протонов и дейтронов требуют разных конфигураций ускорительного кольца. Полностью электростатическое протонное кольцо также нельзя просто встроить в существующий ускорительный комплекс, где траекторию пучка формируют преимущественно магнитные элементы.
Поэтому ученые рассмотрели другой подход — метод «квазизамороженного спина». В этом случае спин не остается постоянно неподвижным: он отклоняется на отдельных участках кольца, но затем специальные элементы компенсируют накопившийся поворот. В результате после каждого повторяющегося участка кольца спин возвращается почти к исходному положению. Главная цель работы — показать, что в одном накопительном кольце можно измерить электрический дипольный момент дейтрона и отработать соответствующую методику для протона, переключаясь между режимами с минимальной перенастройкой. Работа опубликована в журнале Nuclear Science and Techniques. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект №25-72-30005.
«Метод квазизамороженного спина был предложен ранее профессором Юрием Сеничевым. В новой работе мы сформулировали минимальные требования к длине компенсирующего элемента, сравнили поведение протонов и дейтронов и показали, при каких условиях исследования обоих типов частиц можно проводить в одном кольце»,— рассказал Сергей Колокольчиков, кандидат ф.-м. н., младший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей ЛФИ МФТИ и ИЯИ РАН.
В предложенной конфигурации магнитные элементы удерживают пучок на заданной траектории. На прямых участках кольца располагается компенсатор, который устраняет поворот спина, накопленный при прохождении магнитных дуг.
Физики рассмотрели два варианта компенсатора. Первый — фильтр Вина, где скрещенные электрическое и магнитное поля позволяют корректировать ориентацию спина, практически не изменяя траекторию пучка. Второй — электростатический дефлектор с кикером: дефлектор отклоняет пучок и воздействует на спин, а кикер возвращает частицы на заданную траекторию.
Расчеты показали, что предложенная конфигурация применима и к дейтронам, и к протонам. Для перехода между режимами нужно изменить полярность или ориентацию компенсатора и подобрать энергию пучка.
Однако два типа частиц ведут себя существенно по-разному. Для дейтронов при 16 периодах кольца сохраняется около 99% полезного сигнала по сравнению с идеальным режимом замороженного спина. Периодом здесь называется повторяющийся участок кольца с одинаковым набором элементов. Таким образом, для дейтронов квазизамороженный режим практически не уступает полностью замороженному спину.
В случае протонов в такой же структуре сохраняется около 80% полезного сигнала. Эта оценка дает ученым конкретный ориентир: для протонов кольцо должно содержать достаточно большое число повторяющихся участков, иначе чувствительность окажется слишком низкой.
Протонному пучку при оптимальной энергии требуется почти в пять раз более длинный компенсатор, чем для дейтронного. Чтобы использовать одно кольцо для обеих частиц, ученые предлагают снизить энергию протонов. Это позволит уменьшить необходимую длину компенсатора, хотя и снизит чувствительность протонного измерения.
Работа приближает измерение электрического дипольного момента протона и дейтрона к практической реализации. Даже более точное экспериментальное ограничение на эту величину сужает круг допустимых расширений Стандартной модели и может пролить свет на природу преобладания материи над антиматерией.
Предложенный подход позволяет на одном накопительном кольце провести измерение электрического дипольного момента для дейтрона и отработать методику для протона, в том числе на базе уже существующих установок.
Кроме того, конфигурацию можно применять для управления поляризацией, исследований пучков при более высоких энергиях и поиска аксионоподобных частиц — гипотетических чрезвычайно легких частиц, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом и рассматриваются как кандидаты в состав темной материи.
«В первую очередь мы хотим экспериментально проверить метод квазизамороженного спина и достичь времени спиновой когерентности 1000 секунд. Также нужно отработать другие методы измерения сигнала электрического дипольного момента. В ближайшей перспективе такие исследования возможны в комплексе NICA—Nuclotron, для которого рассматриваются варианты, в том числе строительство отдельного кольца. В дальнейшем мы планируем перейти к созданию чисто электростатического кольца для протонов», — поделился Сергей Колокольчиков.
«Мы рассматриваем возможность создать в Троицке отдельное накопительное кольцо на базе инфраструктуры ИЯИ РАН. На первом этапе оно будет использоваться для исследований электрического дипольного момента дейтрона и поиска аксионоподобных частиц. В дальнейшем ту же установку можно будет переоборудовать в бустер для более мощного ускорительного комплекса и использовать при создании источника нейтрино. Наличие работающего линейного ускорителя позволит существенно повысить интенсивность пучка и заметно снизить стоимость проекта», — добавил Юрий Сеничев, профессор, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИЯИ РАН и старший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей ЛФИ МФТИ.