Эффект Соколова – Тернова - это эффект самополяризации релятивистских электронов или позитронов, движущихся с высокой энергией в магнитном поле . Самополяризация происходит за счет излучения синхротронного излучения с переворотом спина . Эффект был предсказан Игорем Терновым, а предсказание строго обосновано Арсением Соколовым с использованием точных решений уравнения Дирака . [1] [2]
Теория
Электронов в магнитном поле может иметь свой спин ориентирован в том же ( «раскрутить») или в обратном ( «спин вниз») направлении по отношению к направлению магнитного поля (которое предполагается быть ориентированы «вверх» ). Состояние «со спином вниз» имеет более высокую энергию, чем состояние «со спином вверх». Поляризация возникает из-за того, что скорость перехода через излучение синхротронного излучения в состояние «спин вниз» немного больше, чем вероятность перехода в состояние «спин вверх». В результате первоначально неполяризованный пучок электронов высокой энергии, циркулирующий в накопительном кольце после достаточно длительного времени, будет иметь спины, ориентированные в направлении, противоположном магнитному полю. Насыщение не является полным и явно описывается формулой [3]
где - предельная степень поляризации (92,4%), время релаксации:
Здесь как и раньше, а также - масса и заряд электрона, - диэлектрическая проницаемость вакуума , это скорость света, это поле Швингер , - магнитное поле, а - энергия электрона.
Предельная степень поляризации меньше единицы из-за наличия спин-орбитального обмена энергией, допускающего переходы в состояние «спин вверх» (с вероятностью в 25,25 раза меньше, чем в состояние «спин вниз»).
Типичное время релаксации составляет минуты и часы. Таким образом, получение сильно поляризованного луча требует достаточно длительного времени и использования накопительных колец .
Эффект самополяризации для позитронов аналогичен, с той лишь разницей, что позитроны будут иметь тенденцию иметь спины, ориентированные в направлении, параллельном направлению магнитного поля. [4]
Экспериментальное наблюдение
Эффект Соколова – Тернова экспериментально наблюдался в СССР , Франции, Германии, США, Японии и Швейцарии в накопителях с энергией электронов 1–50 ГэВ. [3] [5]
- 1971 г. - Институт ядерной физики им. Будкера (первое наблюдение) с использованием накопителя на 625 МэВ ВЭПП-2 .
- 1971 г. - Орсе (Франция), с использованием накопителя АСО на 536 МэВ.
- 1975 г. - Стэнфорд (США), с использованием накопителя SPEAR на 2,4 ГэВ.
- 1980 - DESY , Гамбург (Германия), с использованием PETRA 15,2 ГэВ .
Приложения и обобщение
Эффект радиационной поляризации дает уникальную возможность создавать поляризованные пучки электронов и позитронов высоких энергий, которые можно использовать в различных экспериментах.
Эффект также был связан с эффектом Унру, который до сих пор в экспериментально достижимых условиях был слишком мал, чтобы его можно было наблюдать.
Равновесная поляризация, заданная Соколовым и Терновым, имеет поправки, когда орбита не идеально плоская. Формула была обобщена Дербеневым, Кондратенко и другими. [6]
Патент
- Соколов А.А., Тернов И.М. (1973): Премия N 131 от 7 августа 1973 года с приоритетом от 26 июня 1963 года, Бюл. Откр. и Изобр., т. 47 .
Смотрите также
Заметки
- ^ Соколов, АА; И. М. Тернов (1963).О поляризационных и спиновых эффектов в теории синхротронного излучения[Поляризация и спиновые эффекты в теории синхротронного излучения]. Доклады Академии Наук СССР . 153 (5): 1052–1053.
- ^ Соколов А.А., Тернов И.М. (1964). "О поляризации и спиновых эффектах в теории синхротронного излучения" (PDF) . Сов. Phys. Докл . 8 : 1203. Bibcode : 1964SPhD .... 8.1203S .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ а б Соколов А.А.; И.М. Тернов (1986). CW Килмистер (ред.). Излучение релятивистских электронов . Нью-Йорк: Серия переводов Американского института физики. ISBN 0-88318-507-5. Раздел 21.3 для теории и раздел 27.2 для экспериментальной проверки эффекта Соколова – Тернова.
- ^ Дж. Кесслер (1985). Поляризованные электроны (2-е изд.). Берлин: Springer. Раздел 6.2.
- ^ В.А. Бордовицын, изд. (1999). Теория синхротронного излучения и ее развитие: памяти И.М. Тернова . Сингапур: World Scientific . ISBN 981-02-3156-3. Архивировано из оригинального 3 -го января 2010 года . Проверено 17 августа 2008 года .
- ^ Барбер, Д.П .; Мане, SR (1988). «Расчеты Белла и Лейнааса, Дербенева и Кондратенко для радиационной поляризации электронов» (PDF) . Physical Review . 37 (2): 456–463. Bibcode : 1988PhRvA..37..456B . DOI : 10.1103 / PhysRevA.37.456 . PMID 9899676 .