Эффект Соколова — Тернова

Эффект Соколова — Тернова — эффект самополяризации пучка электронов или позитронов в магнитном поле посредством синхротронного излучения. Предсказан А. А. Соколовым и И. М. Терновым в 1963 году.

Теория

Электрон в магнитном поле может находиться в состоянии со спином, направленным параллельно («спин вверх») или антипараллельно («спин вниз») магнитному полю (предполагается, что магнитное поле направлено вверх). Состояние «спин вниз» обладает меньшей энергией по сравнению с состоянием «спин вверх». Теоретический расчёт показал, что вероятность перехода в состояние «спин вниз» за счёт синхротронного излучения немного больше, чем в состояние «спин вверх». В результате изначально неполяризованный пучок электронов, движущийся в накопительном ускорительном комплексе, через достаточно долгое время перейдёт в поляризованное состояние со спином, направленным противоположно магнитному полю. Поляризация не является полной; её зависимость от времени описывается формулой

$\xi (t)=A\left(1-e^{-t/\tau }\right),$

где $A=8{\sqrt {3}}/15\approx 0{,}924$ — предельная степень поляризации (92,4 %) и $\tau$ — характерное время релаксации, равное

$\tau ={\frac {8\hbar ^{2}}{5{\sqrt {3}}mce^{2}}}\left({\frac {mc^{2}}{E}}\right)^{2}\left({\frac {H_{0}}{H}}\right)^{3}.$

Здесь $m$, $e$ и $c$ — масса, заряд электрона и скорость света; $H_{0}\approx 4{,}41\times 10^{13}$ Гс — поле Швингера, $H$ — напряжённость магнитного поля, $E$ — энергия электрона.

Меньшая единицы предельная степень поляризации $A$ возникает из-за наличия обмена энергией между спиновой и орбитальной степенями свободы, которое делает возможным переход в состояние «спин вверх» (с вероятностью, в 25,25 раз меньшей, чем в состояние «спин вниз»).

Характерное время релаксации составляет минуты или часы. Поэтому для получения достаточно сильно поляризованного пучка требуется длительное время и практически используются накопительные кольца, позволяющие сохранять пучок электронов в течение часов.

Эффект также описывает поляризацию позитронов, с той разницей, что для позитрона состояние «спин вверх» обладает меньшей энергией по сравнению с состоянием «спин вниз». В результате пучок позитронов переходит в состояние со спином, ориентированном в том же направлении, что и магнитное поле.

Экспериментальное обнаружение

• 1971 — Институт ядерной физики СО РАН (первое наблюдение), использовался ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2, 625 МэВ.
• 1971 — Орсэ (Франция), использовалось накопительное кольцо ACO, 536 МэВ.
• 1975 — SLAC, Стэнфорд (США), использовалось накопительное кольцо SPEAR, 2,4 ГэВ.
• 1980 — DESY, Гамбург (ФРГ), использовался ускоритель PETRA, 15,2 ГэВ.

Применение

Позволяет получать поляризованные пучки электронов для проведения дальнейших экспериментов. Преимущества:

• позволяет получать поляризованные пучки сразу высоких энергий (фактически является эффективным, начиная с энергии несколько сотен МэВ);
• процесс поляризации не меняет свойств пучка (интенсивности, разброса параметров и т. д.), что выгодно отличает его например от способа получения поляризованных пучков с помощью рассеяния;
• электроны и позитроны могут быть поляризованы при любой заданной энергии, что снимает весьма сложную задачу ускорения поляризованных частиц.

Диплом

Соколов А. А. и Тернов И. М. (1973). Диплом на научное открытие «Эффект радиационной самополяризации электронов в магнитном поле», занесенное в Государственный реестр открытий СССР под № 131 от 7 августа 1973 г., приоритет от 26 июня 1963 г. (Бюллетень открытий и изобретений, том 47).

Формула открытия: «Установлено ранее неизвестное явление поляризации релятивистских электронов и позитронов при их движении в магнитном поле (например, в накопительных кольцах), обусловленное квантовыми флуктуациями синхротронного излучения».

Литература

• Багров В. Г. Квантовые эффекты в синхротронном излучении, часть 6.
• Sokolov A. A. and Ternov I. M. (1964): «On Polarization and Spin Effects in Synchrotron Radiation Theory». Sov. Phys. Dokl. 8: 1203.
• Kessler J. (1985): Polarized Electrons. 2nd edition. Berlin: Springer. Часть 6.2.
• Sokolov A. A. and Ternov I. M. (1986): Radiation from Relativistic Electrons. New York: American Institute of Physics Translation Series. Edited by C. W. Kilmister. ISBN 0-88318-507-5. Часть 21.3 (теория) и часть 27.2 (эксперимент).