Принципиально то, что в ускорителях частицы могут накапливаться только с вертикально выстроенным спином — собственным моментом импульса. Это называется векторной поляризацией. С ее помощью физики изучают внутреннее устройство ядер и ищут следы новых взаимодействий. В этих поисках очень важны поляризации, повернутые в горизонтальную плоскость. И возникает проблема: частицы в пучке летят немного по-разному, что влечет разброс частот вращения спинов отдельных частиц из-за разброса их энергий, и спины постепенно «расходятся по фазе». Это как хор, который начал петь вместе, а через некоторое время голоса разъехались. В физике это называют декогеренцией.
На коллайдере NICА предусмотрены циклы столкновений продолжительностью один час, и время жизни поляризации в плоскости кольца должно быть существенно больше часа. В проверках фундаментального равенства магнитных моментов электрона и позитрона на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2 в ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН удалось достичь рекордного в 1980-х годах времени жизни свободно прецессирующей поляризации 0,5 секунды. На ускорителе COSY в Германии, обобщение на дейтроны развитой сибирскими учеными техники позволило уверенно работать с временами жизни поляризации дейтронов в сотни секунд, а в рекордных циклах время жизни горизонтальной поляризации удалось увеличить до 1000 секунд. Для реализации научной программы коллайдера NICA очень важны работы по дальнейшему увеличению этого времени.
Дейтрон — ядро тяжелого водорода, состоящее из протона и нейтрона. Его спин, собственный квантовый момент импульса, равен единице. Для таких частиц поляризованный пучок описывается не только средним направлением спинов — векторной поляризацией, но и дополнительной характеристикой их упорядоченности — тензорной поляризацией. Одна из проблем фундаментальной физики, которая может быть решена на NICA с тензорно поляризованными дейтронами, это поиск т. н. миллисильного взаимодействия с нарушением комбинированной четности (симметрия при одновременном пространственном отражении и смене знака заряда) и, соответственно, симметрии относительно обращения времени при сохранении пространственной четности, вне Стандартной модели как потенциального источника барионной асимметрии Вселенной. Для столкновений поляризованных протонов и дейтронов существует специальная комбинация спиновых характеристик в полном сечении взаимодействия, которая должна быть нулевой без истинного миллисильного нарушения этой симметрии. Такое взаимодействие искали, но чувствительность экспериментов была недостаточной.
В прецизионных экспериментах принципиальна возможность накопления сигнала в течение максимально возможного времени с сохранением когерентности поляризаций с исключением ложных сигналов. Еще ранее ученые из МФТИ и ОИЯИ, с участием авторов этой работы, обратили внимание на возможные преимущества поиска миллисильного взаимодействия методом вращающейся поляризации. Спины накопленных в ускорителе дейтронов прецессируют вокруг вертикального магнитного поля в ускорителе. Если добавить в кольцо ускорителя радиочастотную катушку (соленоид) с магнитным полем, осциллирующим вдоль касательной к орбите ускорителя с резонансной частотой, равной частоте прецессии спина в магнитном поле ускорителя, то спин будет дополнительно вращаться в вертикальной плоскости с определенной частотой переворота спина. Это создает управляемые колебания поляризации, а временные метки событий позволяют связать каждое столкновение с ориентацией спинов в этот момент.
Затем ученые применили анализ Фурье: разложили сложный сигнал на колебания разных частот, подобно тому как музыкальный аккорд разделяют на ноты. У разных векторных и тензорных компонент свои частотные портреты. Это дает возможность одновременно измерять независимо несколько спиновых эффектов. Важно то, что искомый сигнал Т-нечетного миллисильного взаимодействия, пропорциональный произведению векторной поляризации частицы-мишени на специальную осциллирующую компоненту тензорной поляризации ускоренных дейтронов, можно однозначно выделить на фоне случайных помех.
Оставалась проблема времени жизни (времени согласованной прецессии) тензорной поляризации дейтронных пучков в режиме непрерывного переворота спина радиочастотным полем. Эта задача была решена учеными из ОИЯИ, МФТИ и Института современной физики Китайской академии наук. Главный вывод: на комплексах Нуклотрон / NICA и HIAF когерентность как векторной, так и тензорной поляризации дейтронов может держаться намного дольше часа.
Подход исследователей опирался на опыт коллаборации JEDI на синхротроне COSY в Юлихе. В прежних экспериментах удалось сохранить согласованную прецессию спинов дейтронов более 1000 секунд (чуть больше 16 минут). Однако этот результат относился к свободной прецессии и сам по себе не гарантировал столь же долгую поляризацию при непрерывных радиочастотных переворотах, особенно для тензорных компонент.
В новой работе российские и китайские физики впервые описали, как при таких непрерывных переворотах теряется тензорная поляризация. Расчет показал: тензорные компоненты колеблются с удвоенной частотой и поэтому быстрее теряют когерентность. Одна из компонент во вращающейся системе отсчета вообще остается неизменной, но она не связана с миллисильным взаимодействием.
Ключевое преимущество NICA — короткие сгустки. В расчетах взята длина около 60 сантиметров. Это примерно в сто раз меньше по отношению к длине кольца, чем в прежних экспериментах коллаборации JEDI на синхротроне COSY в Юлихе. А параметр, отвечающий за декогеренцию, уменьшается пропорционально квадрату этого отношения. Именно поэтому потери должны быть очень малы даже за несколько часов.
При частоте спиновых колебаний около 0,02 герца за час происходит примерно 150 переворотов поляризации, что важно для выделения сигнала Т-нечетной асимметрии. Для китайского HIAF оценка еще оптимистичнее, так как предполагается, что дейтронные сгустки удастся сжать до длины менее 10 сантиметров.
Тензорные компоненты, которые колеблются с удвоенной частотой, быстрее теряют согласованность, что и было показано расчетами.
Исследование, сделанное учеными, еще не доказывает, что все причины деполяризации устранены. Их расчеты предполагают точное поддержание радиочастотного спинового резонанса и предварительную коррекцию влияния поперечных колебаний частиц. Длительную поляризацию именно в таком режиме еще предстоит подтвердить экспериментально. В частности, в столкновениях поляризованных пучков в коллайдере важна согласованность прецессий спина в сталкивающихся сгустках. Это требует непрерывного контроля частот прецессии поляризации всех пар сгустков. Синхронность частот обращения сгустков не гарантирует синхронности частот прецессии спина. Дополнительным инструментом может стать спиновый дихроизм — зависимость вероятности взаимодействия дейтрона с веществом от его тензорной поляризации. Ученые предложили измерять частоты прецессии спина по осциллирующему сигналу дихроизма. Для синхронизации частот предусмотрены фильтры Вина — устройства с согласованными электрическим и магнитным полями, позволяющие управлять спином без изменения орбиты.
Юрий Узиков и Николай Николаев, научные сотрудники лаборатории физики ускорителей МФТИ, так прокомментировали суть исследования: «Наша главная задача заключается в том, чтобы экспериментально подтвердить оптимистичную теоретическую оценку медленной деполяризации непрерывно переворачиваемой векторной поляризации на NICA и HIAF».
Исследование опубликовано в журнале Natural Science Review. Эта работа является частью обширной программы подготовки спиновых экспериментов на комплексе Nuclotron / NICA c участием сотрудников лаборатории физики ускорителей МФТИ, ОИЯИ, ИЯИ РАН и ИТФ имени Ландау РАН, поддержанной Российским научным фондом, грант №25-72-30005. Кроме сотрудников ОИЯИ, МФТИ и Института современной физики Китайской академии наук, в работах по физике тензорной поляризации на Nuclotron / NICA принимали участие их коллеги из Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау, Брукхейвенской национальной лаборатории, НИИ ядерных проблем Белорусского государственного университета, Университета «Дубна» и физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.