Физики предложили единое накопительное кольцо для исследования протона и дейтрона

Ученые из МФТИ, Института ядерных исследований РАН, НИЯУ МИФИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН разработали новый подход к поиску электрического дипольного момента (ЭДМ) протонов и дейтронов. Концепция предполагает использование единого накопительного кольца, что упрощает экспериментальную реализацию и делает возможным проведение измерений на уже существующих ускорительных комплексах с их модернизацией.

Что такое электрический дипольный момент и почему он важен

Электрический дипольный момент отражает неравномерность распределения электрического заряда внутри частицы относительно направления ее спина. Стандартная модель предсказывает для него крайне малое значение — порядка 10−31 e·см, что значительно ниже чувствительности современных экспериментов. Поэтому обнаружение ЭДМ на достижимом сегодня уровне стало бы важным аргументом в пользу существования новой физики за пределами Стандартной модели.

Измерения ЭДМ связаны с одной из фундаментальных загадок — преобладанием материи над антиматерией во Вселенной. Андрей Сахаров сформулировал три условия, необходимые для возникновения избытка материи, и одно из них — нарушение CP-симметрии. ЭДМ чувствителен к такому нарушению: его обнаружение помогло бы выяснить, существуют ли дополнительные источники CP-нарушения помимо уже известных.

Проблема существующих методов и решение

Традиционные схемы для протонов и дейтронов требуют разных конфигураций накопительного кольца. Для протона используют чисто электростатическое кольцо, где спин «замораживается» при определенной энергии. Для дейтрона из-за другого знака аномального магнитного момента такой энергии нет, поэтому применяются комбинированные элементы с электрическим и магнитным полями. Кроме того, электростатическое протонное кольцо сложно встроить в существующие ускорительные комплексы, где траектория пучка формируется в основном магнитными элементами.

В новой работе ученые рассмотрели метод «квазизамороженного спина», предложенный ранее профессором Юрием Сеничевым. В этом случае спин не остается постоянно неподвижным: он отклоняется на отдельных участках, но специальные элементы компенсируют накопленный поворот, возвращая спин почти к исходному положению. Это позволяет достичь нужной точности без жестких требований к конфигурации кольца.

Как объяснил Сергей Колокольчиков, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей ЛФИ МФТИ и ИЯИ РАН, в новой работе сформулированы минимальные требования к длине компенсирующего элемента, проведено сравнение поведения протонов и дейтронов, и показано, при каких условиях возможно проводить исследования обоих типов частиц в одном кольце.

Результаты расчетов и перспективы

В предложенной конфигурации магнитные элементы удерживают пучок на заданной траектории, а на прямых участках расположен компенсатор, который устраняет поворот спина. Физики рассмотрели два варианта компенсатора: фильтр Вина и электростатический дефлектор с кикером. Расчеты показали, что конфигурация применима и к дейтронам, и к протонам. Для дейтронов при 16 периодах кольца сохраняется около 99% полезного сигнала, для протонов — около 80%. Протонному пучку при оптимальной энергии требуется почти в пять раз более длинный компенсатор, что требует снижения энергии протонов для совместного использования.

Работа приближает измерение ЭДМ к практической реализации. Даже уточненные экспериментальные ограничения сузят круг допустимых теорий и могут пролить свет на природу барионной асимметрии. Помимо этого, предложенный подход можно применять для управления поляризацией, исследований пучков при высоких энергиях и поиска аксионоподобных частиц — кандидатов в состав темной материи.

В ближайших планах ученых — экспериментальная проверка метода квазизамороженного спина и достижение времени спиновой когерентности 1000 секунд. Исследование опубликовано в журнале Nuclear Science and Techniques и выполнено при поддержке Российского научного фонда.