Спиновая прозрачность как новый подход к прецизионным поляризационным экспериментам для проверки фундаментальных симметрий на коллайдерах и накопителях: теория и эксперимент

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 проекта 22-42-04419

НазваниеСпиновая прозрачность как новый подход к прецизионным поляризационным экспериментам для проверки фундаментальных симметрий на коллайдерах и накопителях: теория и эксперимент

Руководитель Филатов Юрий Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №54 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DFG)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-103 - Физика ускорителей

Ключевые слова Прецизионные спиновые эксперименты по фундаментальным симметриям, режим спиновой прозрачности, спиновый навигатор, поиски ЭДМ и аксионов

Код ГРНТИ29.05.00, 47.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Поиск новой физики вне Стандартной модели находится на переднем крае развития физики частиц. Прецизионные эксперименты с поляризованными пучками открывают широкие возможности для таких исследований. Интенсивные поиски новых источников нарушения CP- и T-инвариантности, связанных с существованием электрического дипольного момента (EDM) электрически нейтральных атомов, молекул и нейтронов, ведутся во многих лабораториях мира. Для заряженных частиц поиск ЭDM возможен только в экспериментах в накопительных кольцах. К таким экспериментам относится поиск ЭDM протона, в котором планируется достичь чувствительности примерно на 15 порядков меньше его магнитного момента. Коллаборация JEDI (Juelich Electron Dipole moment Investigations) и CPEDM (Charged Particle EDM) готовят как прямые эксперименты по поиску ЭDM протонов и дейтронов в кольце синхротрона COSY (Юлих, Германия), так и проекты специализированных накопителей для достижения предельных точностей. К той же категории относится поиск полусильного CP- и T-нарушений в адронных взаимодействиях, где эффекты T-нарушений ожидаются на уровне одной миллионной. Наблюдение на опыте T- и CP-нарушений вне Стандартной Модели может объяснить аномально большую барионную асимметрию Вселенной, где Стандартная модель физики элементарных частиц расходится с результатами экспериментов на много порядков. Исследование спиновой структуры нуклонов, в том числе малоизученной тензорной структурной функции дейтронов, является одной из основных задач электрон-ионного коллайдера eIC (BNL, г. Брукхейвен, США) и коллайдера NICA (JINR, Дубна, Россия). Остается актуальной задача накопления поляризованных антипротонов на установке FAIR (Дармштадт, Германия) с помощью спиновой фильтрации, предложенной коллаборацией PAX (Polarised Antiproton eXperiments). Новым актуальным аспектом развития спиновой физики стало недавнее предложение использовать накопительные кольца для поиска аксионо-подобных частиц — перспективных кандидатов для объяснения темной материи во Вселенной. Все вышеупомянутые проекты требуют прецизионного контроля продольной и поперечной поляризации, а также длительного времени спиновой когерентности до 10 часов. В настоящее время коллаборация JEDI достигла рекордного времени спиновой когерентности 1000 секунд для дейтронов, циркулирующих в синхротроне COSY. Концепция спиновой прозрачности (Spin Transparency, ST), предложенная участниками этого проекта, позволяет гибко управлять поляризацией частиц и эффективно решать вышеуказанные задачи. Это многообещающий универсальный метод манипулирования направлением поляризации в реальном времени во время эксперимента. Суть метода заключается в работе при энергии соответствующей резонансу с целочисленным значением спиновой частоты. В этом случае стабилизация направления поляризации осуществляется с помощью спиновых навигаторов, которые представляют собой компактные вставки, состоящих из слабых продольных или поперечных магнитных полей, вращающих спины частиц на малые углы. Преимущество спиновых навигаторов заключается в возможности поддерживать любую желаемую ориентацию спинов накопленных частиц. Спиновый навигатор также позволяет многократно переворачивать направление поляризации одновременно всех частиц во время проведения эксперимента, что существенно для снижения систематических ошибок. Режим спиновой прозрачности на целых спиновых резонансах планируется использовать для проведения экспериментов с поляризованными протонами и дейтронами на коллайдере NICA в Дубне, а также для обеспечения продольной поляризации дейтронов на eIC (BNL), где традиционный подход «Сибирских змеек» нереализуем на практике. Концепция «замороженного спина» для поиска EDM, разрабатываемая в рамках проекта CPEDM, когда поляризация остается продольной в любом месте кольца накопителя, является разновидностью спиновой прозрачности. Наш проект SpinTra (Spin Transparensy) нацелен на первую в мире экспериментальную проверку новых идей спиновой прозрачности и спинового навигатора на накопителе COSY. Предметом исследования будет анализ спиновой динамики в ST режиме. Основной задачей будет обеспечение длительного времени спиновой когерентности протонов в кольцах с «замороженным спином», а также связанные с этим вопросы тензорной спиновой динамики и гравитационного вращения спина. В рамках проекта будут разработаны теоретические основы ST режима, с помощью численного моделирования проверены основы спиновой прозрачности, осуществлена подготовка к работе необходимого оборудования из уже доступного в кольце синхротрона COSY в FZJ (Forschungszentrum Jülich - Юлихский исследовательский центр института ядерной физики) для реализации спинового навигатора, а также выполнена экспериментальная верификация ST режима. Международное сотрудничество между российским коллективом из МФТИ и немецкими коллективами из RWTH Aachen University и Юлихского исследовательского центра FZJ имеет ключевое значение для реализации проекта SpinTra. Коллектив из МФТИ будет осуществлять теоретическую поддержку проекта, а также, при необходимости, предоставит необходимое оборудование для проведения эксперимента по верификации основ спиновой прозрачности и спинового навигатора. Немецкие партнеры из RWTH и FZJ предоставят синхротрон COSY, обладающий уникальным оборудованием для проведения эксперимента по проверки основ спиновой прозрачности, и свой опыт в проведении прецизионных спиновых экспериментов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Н.Н. Николаев Spin of Protons in NICA and PTR Storage Rings as an Axion Antenna JETP Letters,, Vol. 115, No. 11, pp. 639–643. (год публикации - 2022)
10.1134/S0021364022600653

2. Филатов Ю.Н., Кондратенко А.М., Кондратенко М.А., Цыплаков Е.Д., Бутенко А.В., Костромин С.А., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М., Гурылева И.Л., Мельников А.А., Аксентьев А.Е. Спиновый навигатор на базе корректирующих диполей Нуклотрона/ОИЯИ Письма в ЖЭТФ, том 116, вып. 7, с.411-418 (год публикации - 2022)
10.31857/S1234567822190016

Публикации

1. Карант С., Стефенсон Э. Дж., Чанг С.П., ..., Николаев Н.Н. и др. (JEDI Collaboration) First Search for Axionlike Particles in a Storage Ring Using a Polarized Deuteron Beam Physical Review X, 13, 3, 031004(28) (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevX.13.031004

2. Филатов Ю.Н., Кондратенко А.М., Николаев Н.Н., Сеничев Ю.В., Кондратенко М.А., Виноградов С.В., Цыплаков Е.Д., Бутенко А.В., Костромин С.А., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М., Гурылева И.Л., Мельников А.А., Аксентьев А.Е. A Proton-spin-flipping System Based on Orbit-steerer Dipoles in the Nuclotron/JINR Operating at the γG = 7 Spin-resonance. JETP Letters, 2023, Vol. 118, No. 6, pp. 387-394 (год публикации - 2023)
10.1134/S0021364023602695

3. Мельников А.А., Сеничев Ю.В., Аксентьев А.Е., Колокольчиков С.Д. Природа спиновой декогеренции поляризованного пучка легких ядер в накопительном кольце для поиска ЭДМ JETP Letters, 2023, Vol. 118, No. 10, pp. 713 – 720 (год публикации - 2023)
10.31857/S1234567823220020

4. Филатов Ю.Н., Кондратенко A.M., Кондратенко М.А., Виноградов С.В., Цыплаков Е.Д., Бутенко А.В., Костромин С.А., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М., Бутенко Е.А. Сохранение поляризации протонов в Нуклотроне/ОИЯИ до 3.5 ГэВ/c с помощью корректирующих диполей и слабого соленоида Физика элементарных частиц и атомного ядра (ЭЧАЯ) (год публикации - 2024)

5. Сеничев Ю.В., Аксентьев А.Е., Колокольчиков С.Д., Мельников А.А,, Ладыгин В.П., Сыресин Е.М. Consideration of an Adapted Nuclotron Structure for Searching for the Electric Dipole Moment of Light Nuclei Physics of Atomic Nuclei, vol. 86, No 11, pp.1-5 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778823110418

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Темой исследований в 2024 г. были компенсация на основе штатных корректирующих диполей влияния на поляризацию несовершенства структуры Нуклотрона и разработка программы первоочередных экспериментов с поляризованными протонами на Нуклотроне для проведения экспериментальной проверки концепции спиновой прозрачности. Также предметом исследований являлись разработка и численное моделирование эксперимента по поиску ЭДМ дейтронов в коллайдере НИКА с введенными байпасами и разработка концепции тензорной поляриметрии для опытов с тензорно поляризованными дейтронами на детекторе SPD в коллайдере НИКА. В отчетном периоде были достигнуты следующие научные результаты. Предложена система компенсации когерентного влияния на поляризацию несовершенства структуры Нуклотрона на базе штатных корректирующих диполей, в основе которой лежит измерение не только величины мощности целого резонанса, но и направления спинового поля несовершенства структуры синхротрона. Такая компенсация позволит провести первые эксперименты по проверке концепции спиновой прозрачности в Нуклотроне в условиях, когда искажения замкнутой орбиты, вызванной ошибками установки и изготовления его магнитных элементов, сравнимы c отклонениями орбиты, вызванными слабыми полями спинового навигатора. Открывается возможность для проведения прецизионных экспериментов. Компенсация мощности целых спиновых резонансов может быть осуществлена вплоть до предельного уровня, когда мощность резонанса определяется лишь орбитальными эмиттансами пучка, что позволит существенно увеличить время спиновой когерентности в режиме спиновой прозрачности. В этой ситуации реальная структура Нуклотрона с ошибками установки и изготовления его магнитных элементов становится эквивалентна идеальной структуре, в которой отсутствуют указанные ошибки. Разработанная уникальная методика измерения спинового поля несовершенства структуры синхротрона позволит провести запланированные в ОИЯИ первоочередные эксперименты по измерению мощностей целых спиновых резонансов с поляризованными протонами на Нуклотроне. Эти данные необходимы для определения стратегии по сохранению поляризации протонов до 3.5 ГэВ/c в Нуклотроне, что обеспечит быструю инжекцию поляризованных протонов в коллайдер. Они также необходимы для формулирования требования на величины магнитных полей навигаторных соленоидов и штатных корректоров для обеспечения управления поляризацией протонов в области целых резонансов. Станут доступными эксперименты по компенсации когерентной части мощности целого резонанса протонов, адиабатическому захвату поляризации протонов спиновым навигатором и проверке системы спин-флипа на целом резонансе. Предложены адаптированные структуры коллайдера НИКА и Нуклотрона, в которых может быть реализован режим «квази-замороженного спина» для поиска ЭДМ дейтронов. В этом режиме спин направлен все время вдоль импульса за счет использования фильтров Вина. В Нуклотроне увеличение прямых участков для размещения фильтров Вина реализуется за счет увеличения максимального поля в арочных диполях. Для размещения фильтров Вина в коллайдере НИКА предлагается создание обходов, не затрагивая инфраструктуру детекторов MPD и SPD. При этом модуляция частоты прецессии вектора спина фильтрами Вина в обводных участках сделает НИКА широкополосной аксионной антенной. Новая роль обводного участка с расположенными на ней фильтрами Вина в качестве аксионной антенны, помимо поиска ЭДМ протонов и дейтронов, значительно расширит потенциал комплекса НИКА как уникальной платформы для прецизионных тестов базовых симметрий в физике элементарных частиц. Проведенный теоретический анализ возможности тензорной поляриметрии при высокой энергии в геометрии детектора SPD указывает на перспективность наблюдения нейтронов из реакции стриппинга в калориметрическом детекторе нейтронов. С точки зрения чувствительности к тензорной асимметрии оптимальна регистрация нейтронов с поперечными импульсами около 0.5 ГэВ/с, вылетающих под достаточно малыми углами, в области развитой интерференции вкладов S- и D-волновых компонент волновой функции дейтрона. Сигналом тензорной поляризации будет служить квадрупольная асимметрия распределения нейтронов по азимутальному углу. Существенно то, что при низкой энергии тензорная поляризация дейтронов может быть измерена хорошо развитыми методами, основанными на упругом рассеянии или избранных двухчастичных процессах, которые неприменимы при высокой энергии коллайдера НИКА и в геометрии детектора SPD. Так как почти во всей области энергий НИКА ускорение дейтронов происходит без пересечения резонансов, так что вертикальная векторная поляризация сохраняется, а вместе с ней сохраняется и измеренная при низкой энергии тензорная поляризация. В рабочей точке изменение тензорной поляризации может быть описано с помощью матрицы вращения векторной поляризации. Опыт анализа спектров протонов из стрипинга дейтронов умеренных энергий показал важность эффектов двукратного рассеяния в области S-D-интерференции. Дополнительным усложнением при энергиях коллайдера НИКА является усиление двукратного рассеянии неупругими поправками Грибова. Если спиновые эффекты в упругом рассеянии убывают при высоких энергиях, то спин-зависящие неупругие поправки с ростом энергии не убывают и даже могут расти. Здесь особенно интересна сильно зависящая от тензорной поляризации неупругая поправка за счет взаимодействия с пионным облаком дейтронов. Все пункты плана работ за отчетный период выполнены в полном объеме и опубликованы в работах: [1] Ю.Н. Филатов и др. «Компенсация влияния несовершенства структуры Нуклотрона/ОИЯИ на поляризацию протонов в области целого спинового резонанса (миниобзор)», Письма в ЖЭТФ, том 120, вып. 10, с. 810 – 819, (2024) [2] A. Melnikov et al. «Quasi-Frozen Spin Concept at NICA for EDM Search and Its Matrix Analysis», Physics of Atomic Nuclei, 87(4), 447–450, (2024) [3] Yu. Senichev et al. «NICA Facilities for the Search for EDM Light Nuclei», Physics of Atomic Nuclei, 87(4), 436–441 (2024) [4] Yu.V. Senichev et al. «Quasi-Frozen Spin Structures at the NICA Collider as an Option to Search for the Electric Dipole Moment of Deuterons and Axion Dark Matter», PEPAN Letters, 21(3), 261–265 (2024) [5] Yu.V. Senichev et al. «Magneto-Optical Structure of the Nuclotron for Searching for the Electric Dipole Moment of Light Nuclei» PEPAN Letters, 2024, 21(3), 266–270 (2024) [6] N.N. Nikolaev et al. «Spin decoherence and off-resonance behavior of radio-frequency-driven spin rotations in storage rings», PRAB, 27, 111002 (2024) [7] N.N. Nikolaev et al., «Alternating Spin Polarity Bunches in Storage Rings», Physics of Atomic Nuclei, Vol. 87, No. 4, pp. 442–446 (2024)

Публикации

1. Николаев Н.Н., Ратман Ф., Слим Д. Alternating Spin Polarity Bunches in Storage Rings Physics of Atomic Nuclei, Vol. 87, No. 4, pp. 442–446 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700479

2. Филатов Ю.Н., Кондратенко А.М., Николаев Н.Н., Сеничев Ю.В., Кондратенко М.А., Виноградов С.В., Цыплаков Е.Д., Чернышов А.И., Бутенко А.В., Костромин С.А., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М., Бутенко Е.А., Гурылева И.Л., Мельников А.А., Аксентьев А.Е. Компенсация влияния несовершенства структуры Нуклотрона/ОИЯИ на поляризацию протонов в области целого спинового резонанса JETP Letters, 2024, Vol. 120, No. 10, pp. 810–819 (год публикации - 2024)

3. Мельников А.А., Аксентьев А.Е., Сеничев Ю.В., Колокольчиков С.Д. Quasi-Frozen Spin Concept at NICA for EDM Search and Its Matrix Analysis Physics of Atomic Nuclei, Vol. 87, No. 4, pp. 447–450 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700285

4. Сеничев Ю.В., Аксентьев А.Е., Колокольчиков С.Д., Мельников А.А., Николаев Н.Н., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М. Quasi-Frozen Spin Structures at the NICA Collider as an Option to Search for the Electric Dipole Moment of Deuterons and Axion Dark Matter Pleiades Publishing, Vol. 21, No. 3, pp. 261–265 (год публикации - 2024)
10.1134/S1547477124700092

5. Сеничев Ю.В., Аксентьев А.Е., Колокольчиков С.Д., Мельников А.А., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М. Магнитооптическая структура Нуклотрона для поиска электрического дипольного момента легких ядер ПИСЬМА В ЖУРНАЛ ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И АТОМНОГО ЯДРА, vol. 21, No 3(254), pp.326–333 (год публикации - 2024)

6. Николаев Н.Н., Ратман Ф., Слим Д., ..., Аксентьев А.Е., ..., Мельников А.А., ... Spin decoherence and off-resonance behavior of radio-frequency-driven spin rotations in storage rings Physical Review Accelerators and Beams, Vol. 27, No.111002, pp. 1-26 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevAccelBeams.27.111002

7. Сеничев Ю.В., Аксентьев А.Е., Колокольчиков С.Д., Мельников А.А., Николаев Н.Н., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М. NICA Facilities for the Search for EDM Light Nuclei Physics of Atomic Nuclei, Vol. 87, No. 4, pp. 436–441 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700534

Возможность практического использования результатов
Разработка инновационных технологий управления спином в области физики поляризованных пучков, а также расширение программы поляризационных исследований ОИЯИ в область фундаментальных симметрий, сформирует научный и технологический заделы Российской Федерации для решения фундаментальных задач в области физики высоких энергий.