КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 23-62-10026

НазваниеИсточник релятивистских электронов с угловым моментом

РуководительКарловец Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2026 г.

Конкурс№82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-602 - Квантовая теория поля, квантовая механика

Ключевые словаэлектрон, орбитальный угловой момент, ускоритель частиц, катод, источник частиц, детектор, лазер, магнитная линза, рассеяние, излучение

Код ГРНТИ29.35.39

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Теоретическое предсказание и экспериментальная генерация квантовых состояний фотонов, электронов, нейтронов и атомов с орбитальным угловым моментом (ОУМ) послужили толчком к появлению нового междисциплинарного направления на стыке атомной физики, электронной микроскопии с субнанометровым разрешением, спиновой и адронной физики, квантовой и нейтронной оптики. Однако существующие технологии генерации частиц с ОУМ ограничены областью сравнительно низких энергий -- не более 300 кэВ в электронных микроскопах, что не позволяет использовать такие пучки для прикладных и фундаментальных исследований на субатомном масштабе. В данном междисциплинарном Проекте мы предлагаем провести комплекс теоретических и инженерных работ по разработке и созданию уникального источника релятивистских "закрученных" электронов на базе комплекса линейного ускорителя Линак-200 Объединенного Института Ядерных Исследований -- с энергией от 5 МэВ и возможностью дальнейшего повышения до 200 МэВ. Разработка и экспериментальная реализация такого источника находятся на стыке последних достижений квантовой механики, атомной физики и квантовой оптики с одной стороны и требуют решения нестандартных инженерных задач физики ускорителей, источников частиц и их детекторов с другой стороны. Реализация Проекта потребует объединения усилий физиков-теоретиков в области квантовой электродинамики и физики высоких энергий из университета ИТМО, а также инженеров и физиков-экспериментаторов из ОИЯИ. Научная новизна Проекта состоит в том, что релятивистские пучки электронов с ОУМ могут стать уникальным инструментом исследований не только в атомной и молекулярной физике, в диагностике нано-материалов и поверхностей, где орбитальный момент электрона позволяет получать новую информацию об образце, но -- при релятивистских энергиях -- и в ядерной физике, спиновой и адронной физике, где такие электроны могут использоваться для анализа спина протона, исследований ядерных сил при низких энергиях, вместо поляризованных по спину пучков и т.д. Угловой момент релятивистских электронов может передаваться другим частицам, что может также привести к созданию "фабрики" рентгеновских и гамма-фотонов с угловым моментом. Создание подобной фабрики на основе обратного комптоновского рассеяния на базе Большого Адронного Коллайдера сейчас активно обсуждается, однако, вряд ли будет реализовано до 2030 г. Для реализации Проекта мы планируем исследовать теоретически и экспериментально различные схемы генерации закрученных электронов, в т.ч. полевую авто-эмиссию и фото-эмиссию в сильном поле соленоида, а так же с лазерными фотонами с ОУМ. Будут разработаны теоретическая модель фотоэффекта с закрученными фотонами, а также модели диагностики углового момента релятивистских электронов. В университете ИТМО будет создан экспериментальный стенд по исследованию генерации закрученных фотонов. В ОИЯИ будет создан стенд на основании имеющихся лазерного драйвера, ВЧ-фотопушки и соленоидального магнита на 5 Т и будет проведена серия экспериментов, в результате которых будет создан источник электронов с ОУМ. Для ускорения до энергии 5 МэВ с возможностью последующего повышения до 200 МэВ и транспорта через систему фокусирующих линз будет проведен теоретический и экспериментальный анализ сохранения углового момента с учетом излучения и неоднородности полей линз. Будет изучено теоретически и экспериментально взаимодействие электронов с ОУМ с различными материалами и особенности электромагнитного излучения для разработки схемы детектирования ОУМ релятивистского электрона. На финальном этапе 4-летнего Проекта планируется впервые в мире продемонстрировать ускорение электронов с угловым моментом до энергии около 5 МэВ. В рамках Проекта коллективом ИТМО-ОИЯИ будут совместно решаться передовые теоретические и инженерные задачи. Успешная реализация Проекта обуславливается богатым опытом обоих коллективов в проведении соответствующих исследований и комплиментарностью необходимых навыков.

Ожидаемые результаты
В рамках Проекта предлагается комплекс теоретических и инженерных работ по разработке и созданию не имеющего аналогов в мире источника релятивистских электронов с квантованным угловым моментом, включая разработку и реализацию схемы детектирования углового момента электронов с энергией около 5 МэВ с перспективой повышения до 200 МэВ. Данные исследования предполагают совместное решение группами из ИТМО и ОИЯИ следующих задач: 1. Разработка квантово-электродинамических моделей генерации электронов с квантованным угловым моментом при полевой и и фото-эмиссии в сильном магнитном поле соленоида (от 1 Т и выше), включая процессы, индуцируемые "закрученными" лазерными фотонами. Обобщение известных ранее моделей с "плосковолновыми" фотонами и без магнитного поля. Существенным шагом вперед в развитии теоретических моделей будет являться анализ роли квантовой запутанности конечных частиц и методов детектирования частиц с угловым моментом. 2. Теоретический анализ сохранения углового момента закрученных электронов в реалистичных полях линейного ускорителя с учетом фокусировки пучка электромагнитными линзами и пространственной неоднородности поля. Оценка роли излучения и возможной потери углового момента при ускорении. 3. Разработка методик детектирования электронов с угловым моментом на основе базовых процессов рассеяния на атомных мишенях различной ширины и электромагнитного излучения в полях линз и ондуляторов с учётом возможной пространственной неоднородности полей. Развитие методов восстановления (квантовой томографии) состояния электрона по измеряемым угловым и спектральным характеристикам рассеянных/излученных частиц. 4. Создание в университете ИТМО экспериментального стенда по исследованию конверсии плосковолновых лазерных фотонов в закрученные. Данный стенд будет также использоваться в дальнейших исследованиях. 5. Создание в ОИЯИ экспериментального стенда по исследованию и выбору оптимальных методов генерации закрученных электронов в магнитном поле с использованием имеющихся лазерного драйвера, ВЧ-фотопушки и соленоидального магнита на 5 Т. Исследование возможности использования схем с авто-эмиссией в магнитном поле и фото-эмиссией с закрученными фотонами в поле и без поля, выбор оптимального метода генерации и параметров: напряженность поля, величина углового момента, размер пятна лазера на катоде, длительность лазерного импульса и др. Создание установки по генерации релятивистских электронов с угловым моментом и энергией около 5 МэВ. 6. Разработка и тестирование в ОИЯИ схем детектирования релятивистских электронов с угловым моментом и энергией от 5 МэВ и выше на основе процессов рассеяния в твердотельных мишенях и электромагнитного излучения с учетом разработанных в университете ИТМО моделей и реалистичных параметров генерируемого электронного пучка. Измерение эмиттанса пучка, анализ влияния пространственного заряда на качество пучка с угловым моментом, выбор оптимального тока, анализ возможности повышения величины углового момента. 7. Подготовка к созданию в течение 2–3 лет после завершения 4-летнего Проекта установки по генерации релятивистских электронов с угловым моментом и их ускорению до энергии 200 МэВ на базе линейного ускорителя электронов Линак-200 в ОИЯИ. Анализ сохранения углового момента электронов при транспорте и ускорении на бегущей волне и возможности значительного повышения энергии без существенных потерь качества пучка. Теоретические задачи Проекта (пп. 1-3) будут решаться в основном коллективом ИТМО. Экспериментальные и инженерные задачи (пп. 4-7) будут решаться коллективом ОИЯИ при участии исполнителей из ИТМО, для чего предполагаются взаимные поездки участников на время экспериментов. Коллектив ИТМО имеет богатый опыт теоретических исследований процессов генерации электронов с угловым моментом, в том числе совместно с ведущими учеными из физики ускорителей. Развитое в работах исследователей ИТМО квантовое обобщение теоремы Буша демонстрирует принципиальную возможность генерации закрученных электронов в сильных, но доступных в лабораториях магнитных полях (~1 Т и выше). Исследователи из ИТМО также имеют опыт экспериментальной работы в ведущих ускорительных центрах США. Исследователи из ОИЯИ имеют многолетний опыт в области разработки ускорительной техники для установок Линак-200 (https://accelconf.web.cern.ch/ipac2021/doi/JACoW-IPAC2021-WEPAB042.html), ИРЕН (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/15/11/T11006), ускорительного комплекса ЛФВЭ ОИЯИ (https://link.springer.com/article/10.1134/S1547477120040081), а также фотоинжекционных систем (https://ufn.ru/ru/articles/2017/10/i/). Принципиальным новшеством предлагаемого Проекта является разработка нестандартных инженерных решений по генерации квантовых релятивистских пучков, ранее изучаемых лишь на электронных микроскопах со сравнительно малыми энергиями и небольшими токами, тогда как физика пучков ускорителей всегда успешно описывалась классической электродинамикой. В результате реализации данного междисциплинарного Проекта усилиями обоих коллективов будут разработаны новые модели и созданы коды для описания процессов генерации закрученных электронов с учетом эффектов квантовой запутанности и процесса детектирования. Также будут развиты и впервые экспериментально реализованы методики по детектированию таких состояний релятивистских частиц и измерению эмиттанса закрученного пучка с учётом возможного влияния пространственного заряда. Развитые модели могут также использоваться для анализа процессов генерации частиц в сильных магнитных полях астрофизических источников (напр., нейтронные звезды). Разработанные технологии генерации и детектирования представляют отдельную ценность для развития источников частиц и ускорительной техники и могут внедряться на других ускорителях, включая Большой Адронный Коллайдер и ускорители следующего поколения (ILC, CLIC и др.). Созданный источник релятивистских закрученных электронов может использоваться для передовых фундаментальных и прикладных исследований наноструктур и поверхностей с субнанометровым разрешением, включая исследования быстропротекающих процессов на основе электронной дифрактоскопии, для развития методов слабо-возмущающей диагностики с использованием т.н. "измерений без взаимодействия", а также для атомной и ядерной физики, включая исследования упругого и неупругого рассеяния электронов на атомах, легких и тяжелых ядрах, где использование закрученных электронов позволяет тестировать феноменологические модели сильных взаимодействий вне области применимости пертурбативной квантовой хромодинамики. В свою очередь изучение квантовых свойств релятивистских пучков, развитие методов манипуляции эмиттансом и их применение может стать отдельным междисциплинарным направлением на стыке физики ускорителей и детекторов, квантовой оптики и физики частиц. Наконец релятивистские пучки электронов с угловым моментом, ускоренные до энергии ~200 МэВ, могут использоваться для генерации закрученных фотонов жесткого рентгеновского и гамма диапазонов для целей ядерной физики и физики высоких энергий, где процессы взаимодействия таких фотонов с ядрами имеют другие правила отбора. Аналогичный проект такой фотонной "фабрики" на основе обратного комптоновского рассеяния сейчас активно обсуждается в контексте апгрейда Большого Адронного Коллайдера, однако, вряд ли будет реализован до 2030 г. В России существует фабрика таких фотонов лишь ТГц диапазона на основе лазера на свободных электронах в Новосибирске.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---