Электрон, известный с конца прошлого столетия, относится
к числу хорошо изученных элементарных частиц. В течение длительного
времени предполагалось, что основные свойства электрона достаточно полно
можно охарактеризовать его массой и электрическим зарядом, определяющими
индивидуальность частицы, а также взаимодействие с другими частицами и
полями.
Однако уже более 50 лет назад была открыта еще одна фундаментальная
характеристика электрона - спин.
Как известно из классической механики, движущийся по орбите электрон
обладает механическим моментом количества движения - орбитальным
моментом. Если при этом электрон движется во внешнем магнитном поле, то
у него появляется дополнительная энергия, причем величина этой энергии
оказывается пропорциональной орбитальному магнитному моменту, также
связанному с поступательным движением электрона.
В результате анализа ряда экспериментальных фактов стало очевидным, что
для описания движения электрона кроме обычных трех степеней свободы
необходимо ввести четвертую - "внутреннюю" степень свободы, не связанную
с перемещением частицы в пространстве. Эти соображения легли в основу
гипотезы о вращающемся электроне (Уленбек - Uhlenbeck, и Гауд-смит -
Goudsmit, 1925).
В соответствии с этой гипотезой постулируется, что электрон наряду с
орбитальным моментом обладает собственным механическим моментом
количества движения ?- спином, численно равным h / 2 (h - постоянная
Планка). Проекция этого собственного момента на любое направление может
принимать только два значения Sz = = + h/2. Электрону также
приписывается наличие спинового магнитного момента, численно равного
магнетону Бора \л0 = е0И / 2гщс, причем проекция его принимает также два
значения цг = +Цо. (здесь е0 и т0 - заряд и масса электрона).
Гипотеза о спине объяснила целый ряд экспериментальных фактов. Тем не
менее вначале она была встречена достаточно сдержанно и часто
воспринималась критически.
Основные сомнения и критика гипотезы о вращающемся электроне касались
попыток создания классической модели спина. Уленбек и Гаудсмит пытались
связать спин электрона с его вращением - в виде шарика-волчка,
вращающегося вокруг собственной оси. Отсюда произошло и само название
спин электрона - от английского глагола to spin - вращаться (рис. 1).
Гипотеза вращающегося электрона получила развитие в работах советского
физика Я. И. Френкеля, послуживших основой для рассмотрения многих
вопросов, связанных с динамикой частицы. Однако развитие идеи о
вращающемся электроне привело и к непреодолимым трудностям, которые были
связаны с тем, что природа спина является существенно квантовой и
простая механическая модель этого сложного явления невозможна. Вместе с
тем постулаты о том, что электрон обладает собственными механическим и
магнитным моментами, оказались весьма плодотворными.
В квантовую механику спин электрона впервые ввел Паули (1927).
Законченная теория спина была создана годом позже (1928) Дираком после
того, как им было предложено релятивистское волновое уравнение,
описывающее движение электронов при любых значениях их энергии. Важно
отметить, что в релятивистской теории Дирака, строго говоря, вообще
нельзя разделить свойства электрона, обусловленные орбитальным движением
и спином, - они выступают здесь как единое целое, в особенности в
области высоких энергий частицы. Наглядным физическим смыслом теперь
обладает полный момент количества движения y=L+X но не его слагаемые в
отдельности друг от друга. И только в нерелятивистском приближении,
когда скорость частицы
Рис. 1. К гипотезе "вращающегося электрона".
Вследствие отрицательного знака заряда электрона его спиновые
механический 5 и магнитныйТГмоменты ориентированы противоположно друг
другу
значительно меньше, чем скорость света, уравнение Дирака
переходит в приближенное уравнение Паули, и тогда спин частицы получает
обычную интерпретацию.
Дальнейшие успехи в выявлении спиновых свойств электрона относятся к
послевоенному периоду, когда усиленное развитие получил
радиоспектроскопический метод исследования, основанный на точных
измерениях частоты электромагнитных колебаний в области микроволнового
(сантиметровый и миллиметровый) диапазона.
Новые возможности, открывшиеся в физическом эксперименте, принесли и
новые данные о природе электрона.
С помощью радиоспектроскопического метода было установлено, что спиновый
магнитный момент электрона отличается от магнетона Бора причем
Здесь а= е02 / hc= 1 / 137 - безразмерная
постоянная тонкой структуры - параметр, характеризующий электромагнитные
взаимодействия. Между тем из строгой теории Дирака для спинового
магнитного момента электрона получается значение, равное магнетону Бора.
Теоретическое рассмотрение этого явления показало, что дополнительный -
аномальный - магнитный момент электрона обусловлен взаимодействием
электрона с вакуумом, когда отсутствуют реальные кванты
электромагнитного поля - фотоны.
Это взаимодействие с квантовыми флуктуациями электромагнитного поля
усложняет характер движения электрона - он движется подобно броуновской
частице, испытывая на себе многочисленные удары - последствия влияния
флуктуационных сил.
Задача об аномальном магнитном моменте электрона была решена впервые
Швингером (Schwinger) в 1948 г. в хорошем согласии с экспериментом,
причем им была установлена формула (1) как прямое следствие теории*. Эта
формуласправедлива только в линейном приближении по величине внешнего
магнитного поля. В случае больших энергий электрона и сильных магнитных
полей (как это было показано нами с В. Г. Багровым, В. А. Бордовицыным и
О. Ф. Дорофеевым, 1968) величина аномального магнитного момента
электрона становится нелинейной функцией от энергии частицы и
напряженности поля.
Спиновые свойства присущи всем элементарным частицам,
причем спин каждой частицы имеет для нее одно и то же значение и тем
самым является, как мы уже говорили, такой же фундаментальной
характеристикой, как масса и заряд. Поскольку спины всех частиц кратны h,
спин удобно измерять в единицах h. При этом все элементарные частицы
делятся на два класса: с целым (0, 1, 2,....) и с полуцелым (1/2, 3/2,
...) спином. Частицы с целым спином подчиняются так называемой
статистике Бозе (бозоны), согласно которой в каждом квантовом состоянии
может находиться любое число частиц; к бозонам относятся мезоны со
спином 0, фотоны со спином 1 и др. Для частиц полуцелого спина
справедлива статистика Ферми (фермионы), в соответствии с которой в
каждом состоянии может находиться лишь одна частица с заданным значением
спина (принцип Паули).
К числу фермионов относятся электроны, позитроны, протоны, нейтроны,
нейтрино, мю-мезоны и др. Знание спина частиц является, таким образом,
необходимым с точки зрения поведения их совокупности.
Остановимся теперь кратко на механизме зависящих от спина сил,
действующих на электрон. Как уже отмечалось, электрон обладает спиновым
магнитным моментом ft В силу этого он должен обладать электромагнитными
свойствами маленького постоянного магнита-диполя, взаимодействующего с
внешним магнитным полем. Частным случаем спинового магнитного
взаимодействия двух электронов является спин-спиновое взаимодействие:
два электрона взаимодействуют друг с другом подобно двум постоянным
магнитикам. Возникающие при этом силы могут оказаться и притягивающими и
отталкивающими в зависимости от взаимной ориентации спинов обеих частиц.
Другой тип взаимодействия, зависящий от спина частицы, менее нагляден -
это спин-орбитальное взаимодействие, которое проявляется у, движущихся
частиц и существенно зависит от
Рис. 2. Двойное рассеяние (Nt и N2 - число
частиц в пучке)
скорости их движения. Из общих положений
релятивистской теории следует, что движущаяся частица, обладающая
магнитным моментом, приобретает дополнительный электрический момент,
величина которого зависит от скорости частицы. Движущийся электрон таким
образом обладает спиновым электрическим моментом-диполем. Если электрон
движется в электрическом поле, то он взаимодействует с ним не только
зарядом, но и спиновым электрическим моментом.
Таковы основные характеристики спиновых взаимодействий электрона. Все
эти рассуждения, однако, относятся к случаю малых скоростей движения
электрона. В случае больших скоростей спиновые свойства частицы
неотделимы от ее орбитального движения.
Особый интерес представляет проявление спиновых свойств электрона в
процессах рассеяния. Познание физической картины нашего материального
мира требует все более тонкого исследования структуры субчастиц, из
которых могут состоять известные сегодня элементарные частицы, а также
природы сил взаимодействия между ними. В решении всех этих задач важное
значение приобретают эксперименты по рассеянию, в которых сталкиваются
две частицы и изучаются результаты такого столкновения. Процесс
рассеяния может быть упругим, и тогда частицы остаются неизменными - они
лишь меняют свой импульс. Рассеяние может быть и неупругим, в результате
чего возможны явления взаимного превращения частиц и появление новых
частиц. Эксперименты по взаимному столкновению частиц могут претерпевать
различные модификации: может меняться энергия частиц, причем характерна
тенденция к постоянному росту этой величины; может изменяться тип частиц
и т. д. Но существо эксперимента остается в главных чертах без
изменения.
Среди всех видов быстрых частиц, вступающих в столкновение с частицами
мишени, следует подчеркнуть важность электронных пучков. Это связано с
тем, что электромагнитный тип взаимодействия наиболее хорошо в настоящее
время изучен и законы электродинамики оказываются справедливыми вплоть
до самых малых расстояний порядка 10~15 см. Тем самым открываются
возможности уверенной интерпретации результатов упругого и в особенности
неупругого рассеяния, что очень важно для изучения различных
взаимодействий не электромагнитной природы (например, сильных
взаимодействий).
Важную роль в процессах рассеяния играет поляризация электронов. Пучок
электронов является поляризованным, когда их спин имеет преимущественное
направление в пространстве. Если спин всех частиц ориентировать в
определенном направлении (например, вдоль импульса электрона), то можно
говорить о полной (100%) (в данном примере продольной) поляризации
пучка. Если же только часть электронов имеет ориентированный спин, то и
поляризация будет частичной. При этом степень поляризации пучка можно
определить с помощью отношения
в которомN* и N1 -числоэлектронов пучка, имеющих
заданную ориентацию спина. И, наконец, если спины электронов в пучке
ориентированы хаотично (АЛ = N*), пучок является неполяризованным.
Еще в ранних работах (1929-1930) английским физиком Моттом (Mott) было
отмечено, что поляризованный пучок электронов рассеивается несколько
иначе, чем неполяризованный: спиновые эффекты вносят свой вклад в
процесс рассеяния. Этот вклад обусловлен спин-орбитальным
взаимодействием, о котором шла речь выше.
Любопытным, хотя, впрочем, вполне очевидным, является то обстоятельство,
что при рассеянии неполяризованного пучка электронов он может частично
поляризоваться. Это явление можно обнаружить с помощью эксперимента по
двойному рассеянию.
На рис. 2 изображена схема такого эксперимента. В начале
неполяризованный пучок рассеивается под заданным углом на первой мишени
с равной вероятностью. При этом он частично поляризуется, в силу чего
вторичное рассеяние происходит уже иначе. Наблюдается асимметрия,
частицы как бы "запоминают" историю своего первоначального рассеяния.
Процесс рассеяния оказывается зависящим от ориентации спина: степень
асимметрии во вторичном рассеянии пропорциональна степени поляризации
пучка.
Спиновая зависимость обнаруживается не только при рассеянии частиц на
неподвижной мишени, но также и в процессах рассеяния частиц при их
столкновении. Так, в частности, при столкновении поляризованных
электронов процесс рассеяния сильно зависит от относительной ориентации
спинов частиц.
Мы рассмотрели процессы упругого рассеяния. Процессы неупругого
рассеяния также обнаруживают спиновую зависимость. Например, в явлениях
двухфотонной аннигиляции электрон-позитронной пары (е* +е~= 2у) сечение
этой реакции содержит член, зависящий от ориентации спинов позитрона и
электрона по отношению к направлению их движения (продольная
поляризация).
Можно было бы привести множество явлений, характеризующихся спиновой
зависимостью. Мы ограничились в этом разделе лишь несколькими примерами
процессов, зависящих от спиновых свойств взаимодействующих частиц.
Применение поляризованных частиц в физическом
эксперименте открывает возможность наблюдения новых явлений, связанных с
внутренней степенью свободы частицы. Фиксируя спиновую переменную,
поляризация выделяет преимущественное направление для внутренней степени
свободы - это и расширяет возможности для получения информации о природе
частиц и их взаимодействий.
Рис. 3. Столкновение движущегося электрона с
покоящимся (полезно используется лишь 0,5% энергии)
Явления поляризации в недавнем прошлом уже помогли
получить уникальную информацию. Достаточно вспомнить опыты By (Wu) с
сотрудниками (1956) по (3-распаду поляризованных ядер Со60, в которых
было обнаружено несохранение четности в слабых взаимодействиях. В этих
опытах спины (3-излучающих ядер выстраивались вдоль некоторой оси, и
число вылетающих электронов
Рис. 4. Эффективная энергия при встречном
соударении электронов
анализировалось в зависимости от этого
выделенного направления. Эксперимент обнаружил большую асимметрию в
вылете Р-электронов: они испускались преимущественно в направлении,
противоположном спину ядер. Это явилось основанием для проведения
абсолютного различия между "правым" и "левым".
Дальнейшее развитие физики высоких энергий подсказало, что в
исследовании спиновых свойств частиц и роли спина в различных
взаимодействиях новые возможности открывает применение релятивистских
пучков поляризованных частиц. Ряд очень интересных физических
результатов
Рис. 5. Схема накопительного кольца был получен
с помощью метода встречных пучков в специальных циклических установках -
в накопительных кольцах.
Важно подчеркнуть, что при падении частиц на
неподвижную мишень значительная часть энергии ускоренной частицы
переходит в кинетическую энергию движения центра масс образовавшейся
системы частиц, включая и продукты реакции: все частицы как бы
продолжают двигаться "вместе" (рис. 3). В случае же встречного
столкновения частиц вся их энергия будет переходить в энергию реакции,
причем в силу релятивистских законов сложения скоростей эффективная
энергия при таком столкновении резко возрастает. Так, в частности, если
сталкиваются два пучка электронов с энергией Е, то эффективная энергия
(рис. 4) при столкновении становится равной:
где mnC2 - энергия покоя (для электрона т0с2= 0,5
МэВ).
Для получения заметных вероятностей встречных столкновений необходима
достаточная плотность частиц, а также длительное время их существования,
в течение которого частицы могут сталкиваться неоднократно. Такие
условия как раз и реализуются в накопительных кольцах.
По своей конструкции накопительное кольцо не имеет существенных отличий
от синхротрона: частицы вращаются в фокусирующем магнитном поле в
условиях высокого вакуума (рис. 5). При этом, однако, в отличие от
ускорителя здесь магнитное поле не меняется во времени, обеспечивая
постоянство энергии циркулирующих частиц. Радиационные потери энергии,
обусловленные центростремительным ускорением электронов (синхротронное
излучение), компенсируются с помощью высокочастотного электрического
поля, сосредоточенного в прямолинейных промежутках. Электроны и
позитроны, предварительно ускоренные до высокой энергии, вводятся
одновременно в вакуумную камеру кольца и движутся в противоположных
направлениях.
Воздействие высокочастотного электрического поля на частицы приводит к
тому, что они движутся неравномерно - сгустками, пересекаясь в
определенных зонах.
Длительное время циркуляции (десятки часов) обеспечивает достаточную для
наблюдений вероятность столкновений.
Большой интерес вызвали эксперименты по аннигиляции электронов и
позитронов высокой энергии с последующим их превращением в адроны
(сильновзаимодействующие частицы). Этот процесс должен зависеть от
поляризации сталкивающихся пучков, что дает возможность изучения
структурных функций адрона, а также помогает в выборе между различными
моделями взаимодействия.
Эксперименты с поляризованными частицами, таким образом, делают процесс
аннигиляции особенно информативным.
В Стэнфорде (США) на накопительном кольце SI*EAR(2 X 4 ГэВ) были (1974)
поставлены важные эксперименты, приведшие к открытию новых, так
называемых "очарованных" гр-частиц (псионов). Псионы относятся к группе
нестабильных адронов с массами в диапазоне 3-4 ГэВ (напомним, что масса
протона составляет примерно 1 ГэВ) и образуются в процессе аннигиляции
сталкивающихся электронов и позитронов. Вначале при слиянии этих частиц
образуется виртуальный* фотон-файрбол с огромной плотностью энергии и
затем, на последующем этапе, появляются ij)-частицы (рис. 6).
Большой интерес к новым частицам был вызван их необычной устойчивостью,
несвойственной тяжелым частицам. Распад ар-частиц на обычные адроны
оказался сильно подавленным, что можно было бы объяснить существованием
каких-то неизвестных нам запретов, например, наличием у псионов новых
квантовых чисел со своими правилами отбора. Потребовалось расширить
кварковую модель.
В связи с этим было предложено ввести четвертый кварк с дробным зарядом
(2/3), несущий новое квантовое число - очарование (чарм), причем
четырехкварковая модель оказалась в состоянии объяснить все известные
данные по новым частицам*.
В экспериментах по проверке этих гипотез, и в частности кварковой
модели, обращают на себя внимание опыты по наблюдению так называемых
струй, образуемых потоками частиц. В этих опытах существенное значение
имеет поляризация электронно-позитронных пучков. Существует
предположение, что адроны в конечном состоянии появляются не из
виртуального фотона-файрбола, а из пары кварк-антикварк. Эта пара
формируется из виртуального фотона, причем кварк и антикварк ведут себя
как свободные частицы и затем уже возникают конечные адроны.
Существенным моментом является то обстоятельство, что рождение конечных
адронов происходит в основном в направлении qqВследствие этого
распределение по импульсам рождающихся адронов имеет форму типа струи
(рис. 7). Поляризация электронно-позитронных пучков вызывает асимметрию
вылета рожденных адронов относительно направления исходных пучков. Это и
было обнаружено в эксперименте. Поэтому наблюдение струй в -аннигиляции
на
SPEAR - одно из сильнейших свидетельств в пользу того, что адроны
состоят из кварков.
Другое свидетельство в пользу структурности частиц принесли опыты по
"просвечиванию" протонов и нейтронов с помощью быстрых электронных
пучков. Для анализа "структуры" частицы с размерами порядка Ю-13 см
необходимо ускорить электроны до таких энергий, чтобы их длина волны де-Бройля была бы меньше этой величины. (Для изучения структуры нуклона,
например, было бы достаточно, чтобы длина волны электрона равнялась Ю-14
см.)
Электрон ведет себя в процессах рассеяния как точечная бесструктурная
частица (точечность электрона проверена до расстояний 10"15 см) и
взаимодействует с нуклонами только через электромагнитные силы. Поэтому
применение электронных пучков открывает возможности исследования
Рис. 6. Рождение адронов в процессе аннигиляции
сталкивающихся электронов и позитронов
неизвестной структуры нуклонов с помощью хорошо
изученных электромагнитных сил. Исследования принесли интересные данные
о структуре нуклона. Было установлено, что протон и нейтрон имеют
размытые границы со средним радиусом 0,8- 10~13 см и, что самое
интересное, обладают сложной внутренней структурой: они включают в себя
особые точечные образования. Эти неизвестные образования Фейнман назвал
"партонами" (от английского part - часть), предполагая, что это точечные
частицы. Было высказано также предположение, что неизвестные точечные
партоны можно отождествить с кварками.
Не имея возможности входить в подробности этих, без сомнения интересных,
вопросов, отметим только следующее важное обстоятельство: падающие на
частицы мишени (нуклоны) ускоренные до высоких энергий электроны
взаимодействуют не только с электрическим зарядом нуклона, но также и с
его магнитным моментом, порожденным спином. В силу этого эксперимент
дает возможность изучать не только распределение заряда внутри нуклона,
но и намагниченность. Знание внутренней структуры нуклонов является
очень важным этапом в понимании природы сильных взаимодействий,
обеспечивающих стабильность атомных ядер, а следовательно, и вообще
стабильность вещества.
В экспериментах по изучению структуры нуклона использовался пучок
электронов, ускоренных в линейном ускорителе SLAC в Стэнфорд-ском
ускорительном центре (США). Пройдя расстояние в 2 мили и получив от
внешних источников энергию в 20 ГэВ, электроны падали на неподвижную
мишень. Заметим, что в линейном ускорителе механизм поляризации
электронов отсутствует, поэтому пучки ускоренных частиц были не
поляризованы. Рассеяние же поляризованных электронов на нуклонах может
принести новую информацию о характере структуры последних.
Применение пучков поляризованных частиц важно также для физики слабых
взаимодействий. В этой связи следует подчеркнуть, что проектируемые на
ближайшее будущее ускорители
Рис. 7. Образование струй адронов
(и накопители) на встречных пучках
(электрон-позитронные, электрон-протонные) дадут возможность повысить
эффективную энергию ускоренных частиц при встречных столкновениях до
таких значений, когда эффекты, обусловленные слабыми и электромагнитными
взаимодействиями, окажутся сравнимыми по своей величине. Как же
установить различие между ними? Применение пучков поляризованных частиц
открывает путь к решению этой задачи, поскольку процессы, связанные со
слабыми взаимодействиями, существенно зависят от продольной поляризации
частиц, т. е. от ориентации их спина по отношению к направлению движения
частицы.
Надо сказать, что в течение длительного времени не
было прогресса в создании пучков поляризованных электронов и позитронов
высокой энергии. Существующие способы поляризации могли обеспечить лишь
нерелятивистскую область энергий. Это прежде всего относится к
электронам |5-распада (они продольно поляризованы;, далее идет
поляризация частиц, возникающая при их рассеянии, и, наконец, ориентация
спинового магнитного момента частиц путем воздействия на них
комбинациями электрического и магнитного полей. Все эти методы были
ограничены в своих возможностях: как уже сказано, они были применимы
только в нерелятивистской области энергии и, кроме того, давали
недостаточную степень поляризации пучков, а также их слабую
интенсивность.
Было очевидно, что необходимо получить пучки релятивистских
поляризованных электронов и позитронов. Возникла мысль: а нельзя ли
ускорить уже поляризованные частицы низкой энергии до высоких энергий?
Здесь существует трудность: нужен интенсивный источник частиц с заданной
поляризацией. Кроме того, поскольку частицы в ускорителе проходят
огромный путь, необходимо было проанализировать деполяризующие факторы:
возникновение резонансов, влияние неоднородностей поля вдоль траектории
частицы, роль аномального магнитного момента частиц и др.
В 1963 г. нами совместно с А. А. Соколовым было показано, что при
длительной циркуляции электронов в магнитном поле синхротронное
излучение приводит к преимущественной ориентации спина частицы.
Квантовая теория явления радиационной поляризации вскрывает
интереснейшую физическую картину явления. Процесс изменения ориентации
электронного спина происходит в условиях дискретности испускания фотонов
электроном, движущимся по окружности в магнитном поле с релятивистской
скоростью. При этом, как следует из общей теории синхротронного
излучения, электрон испускает ограниченное (на одном обороте) число
фотонов высокой энергии - он как бы "стряхивает" с себя мощные у-кванты.
Каждый акт испускания сопровождается импульсом отдачи - квантовой
"встряской".
Квантовые переходы электрона из одного состояния в другое,
сопровождающиеся излучением, имеют отличную от нуля вероятность,
связанную с изменением ориентации спина. Однако вследствие
флуктуационного характера излучения возможен не только односторонний
процесс упорядочения спина, но также могут быть и обратные переходы.
В результате квантовых переходов, сопровождающихся излучением, пучок
электронов становится поляризованным: через некоторое время (время
поляризации) спин электронов оказывается направленным против внешнего
магнитного поля:
Так был открыт эффект радиационной поляризации
электронов. Для позитронов этот эффект также имеет место, однако спин
позитронов ориентируется при этом противоположно электронному.
Время поляризации, в течение которого происходит процесс ориентации
спина, для энергий электрона порядка 1 ГэВ и напряженности магнитного
поля 104 гаусс составляет величину порядка часа, что вполне реализуется
в накопительных кольцах.
Эффект радиационной поляризации электронов и
позитронов был установлен нами для случая движения частиц в постоянном и
однородном магнитном поле. Дальнейшие теоретические и экспериментальные
исследования показали, что при выполнении определенных условий можно
обеспечить радиационную поляризацию пучков электронов и позитронов и в
реальных накопителях частиц. При этом, однако, могут возникнуть
некоторые факторы, мешающие проявлению эффекта ориентации спинов -
факторов, которые могут вызвать деполяризацию частиц.
Прежде всего заметим, что в накопительных кольцах электроны движутся в
фокусирующем аксиально симметричном магнитном поле, обеспечивающем
устойчивое движение пучка по равновесной орбите. Случайные отклонения не
выводят частицы из режима устойчивого движения - они лишь совершают
малые, так называемые бетатронные колебания около равновесной орбиты. В
этих условиях возможно проявление резонансных явлений, которые могут
разрушить поляризацию пучка.
В явлениях резонанса, разрушающих поляризацию, существенную роль играет
аномальный магнитный момент электрона. Заметим, что проявление
аномального магнитного момента начинает сказываться уже в однородном
магнитном поле. При этом продольная поляризация - проекция спина на
направление движения электрона (на вектор скорости) становится
неустойчивой; она быстро меняется по периодическому закону*.
В случае неоднородного фокусирующего магнитного поля вакуумный
аномальный магнитный момент электрона оказывает влияние также и на
устойчивость поперечной поляризации. Если частота бетатронных колебаний
электрона совпадает с частотой прецессии его спина, возникает
характерный резонанс, который может разрушить поляризацию. Выбором
энергии частиц и параметров магнитной системы можно избежать наиболее
опасных резонансов, и тогда условия для проявления эффекта радиационной
поляризации оказываются достаточно близкими к идеальным. Детальные
исследования явления поляризации для накопителей, рассчитанных на
сверхвысокие энергии электронов (10-100 гЭв), показали полную
возможность создания поляризованных пучков частиц и для этой области
энергий, которая планируется на ближайшее будущее. Была оценена
деполяризующая роль квантовых флуктуаций, влияние неоднородностей поля и
ряда других факторов, встречающихся в реальных условиях.
В современных экспериментах физики высоких энергий чаще всего
применяются продольно поляризованные пучки релятивистских частиц.
Полученные в накопительных кольцах поперечно поляризованные пучки можно,
подбирая необходимую конфигурацию поля на прямолинейном участке,
преобразовать в продольно поляризован-ные и наоборот. Поворот
поляризации электронного пучка реализуется только в точке встречи
пучков, ибо в дальнейшем квантовые флуктуации будут разрушать одну
поляризацию и восстанавливать другую
Впервые эффект радиационной поляризации наблюдался
экспериментально через 8 лет после его теоретического предсказания. В
1971 г. в Новосибирске в Институте ядерной физики СО АН СССР поляризация
изучалась на накопительном кольце ВЭПП-2 на 625 МэВ, в том же году
эффект был обнаружен во Франции (Орсе) на накопителе АКО (536 МэВ),
затем в 1975 г. в США (Стэнфорд) - при энергии электронов 2,4 ГэВ и в
1980 г. на установке PETRA (ФРГ) -15,2 ГэВ.
В первых экспериментах, проведенных советскими и французскими физиками,
использовался метод наблюдения, основанный на явлении рассеяния частиц
друг на друге в одном и том же пучке. Это рассеяние, связанное с
радиальными бета-тронными колебаниями частиц, может привести к отличным
от среднего значения Е энергиям частиц Ег и Е2- Ведущее магнитное поле
будет выделять такие частицы из сгустка, заставляя их двигаться по почти
симметричным траекториям. Этот эффект внутреннего рассеяния (иногда его
называют эффектом Тушека) может привести к потерям частиц из пучка, если
добавочный импульс при рассеянии будет превышать максимально допустимое
значение.
Важным является то обстоятельство, что сечение рассеяния зависит от
ориентации спина частиц. Поэтому количество частиц, выбывающих из режима
ускорения, зависит от их поляризации: время жизни поляризованного пучка
оказывается больше, чем неполяризованного. Частицы выбывают из режима
ускорения парами, как ясно из существа эффекта внутреннего рассеяния, и
это может быть зафиксировано соответствующими счетчиками частиц.
В начальный момент времени, когда пучок был неполяризован, число
выбывающих пар частиц максимально, затем по мере радиационной
поляризации спины частиц в пучке упорядочива ются и скорость выбывания
частиц экспоненциально убывает. Затем пучок деполяризуется с помощью
наложения дополнительного поля, меняющего энергию частиц и приводящего к
резонансу - совпадению частоты прецессии спина с частотой бетатронных
колебаний (машинный резонанс). При этом скорость выбывания пар частиц
вновь резко возрастает, достигая своего первоначального значения.
Эксперименты, проведенные над пучками электронов (ВЭПП-2, Новосибирск) и
позитронов (АКО, Орсе), не только качественно доказали существование
эффекта радиационной поляризации, но и установили хорошее совпадение с
теорией в отношении времени и степени поляризации пучка.
Однако метод измерения поляризации, основанный на эффекте внутреннего
рассеяния частиц, оказывается непригодным для измерения поляризации
сталкивающихся встречных пучков. Кроме того, он весьма чувствителен к
деталям структуры пучка, что снижает точность измерения поляризации.
В основе другого метода лежит измерение анизотропии рождения частиц при
аннигиляции электронно-позитронных пар. Так, в частности, при
столкновении электрона и позитрона их аннигиляция может привести к
рождению пары мю-мезонов: e+e'^"[i+yr. Сечение этого процесса,
рассчитанное методами квантовой электродинамики, зависит от степени
поперечной поляризации сталкивающихся пучков Q, что должно выражаться в
асимметрии вылета мюонных пар.
Такие эксперименты были проведены в Стэн-форде на накопительном кольце
SPEAR при энергии частиц 3,7 ГэВ. Измерения анизотропии рождения мюонных
пар привели к результатам, хорошо согласующимся с теорией.
Летом 1980 г. поляризация электронов измерялась на накопительном кольце
PETRA (ФРГ). Метод измерения был основан на эффекте комптоновского
рассеяния - рассеяния фотонов на электронах.
Сфокусированный пучок линейно-поляризованных фотонов, источником которых
служил лазер, направлялся на пучок ускоренных электронов. Процесс
рассеяния фотонов существенно зависит от ориентации спина электронов.
Поэтому в эксперименте по рассеянию можно было наблюдать степень
поляризации электронов. В этих опытах, как упоминалось, была обнаружена
поляризация частиц при энергии 15,2 ГэВ. Важно заметить, что дальнейшее
повышение энергии попадало в область машинного резонанса 15,3 ГэВ -
деполяризующие резо-нансы разрушали ориентацию спина, возвращение же к
15,2 ГэВ вновь обеспечивало поляризацию пучка.
Все перечисленные здесь опыты по наблюдению и измерению поляризации
электронно-позитронных пучков в некотором смысле косвенные - они дают
возможность судить об ориентации спина частиц в результате тех или иных
взаимодействий: столкновения частиц, аннигиляции ит. п. В этой связи
небезынтересно упомянуть еще об одной возможности наблюдения поляризации
электронов и позитронов - по спектру синхротронного излучения. Этот
способ наблюдения не требует воздействия на электрон со стороны других
частиц или полей.
Действительно, как было показано автором и А. А. Соколовым, мощность
синхротронного излучения, испускаемого поляризованными электронами,
зависит от ориентации спина частицы. Сравнивая мощности излучения от
поляризованного и неполяризованного пучков электронов в наиболее
благоприятной для измерения области спектра (коротковолновая часть),
можно получить данные о степени поляризации частиц. Не исключено, что
этот метод, предложенный А. Н. Скринским с сотрудниками (1977), станет
основным для измерения поляризации в накопителях высокой энергии.
В заключение следует подчеркнуть, что эффект радиационной поляризации
электронов и позитронов в накопительных кольцах является в настоящее
время единственным и в силу этого уникальным способом получения
поляризованных пучков частиц высокой энергии. Поляризация при этом
получается естественной, т. е. происходит без какого-либо
дополнительного воздействия на частицы внешних электромагнитных полей.
Мы рассказали здесь кратко о новых возможностях физического эксперимента
- об опытах с поляризованными частицами. Хочется выразить надежду, что
изучение физических явлений, связанных с "внутренней" степенью свободы
частицы - ее спином, приведет к новым открытиям в области познания
структуры материи.
Австрийский минеролог и петрограф Ф. Бекке разработал
метод микроскопического изучения строения кристаллов по фигурам
поверхностного травления.
Русский химик И. Канонников провел важные исследования структуры,
молекулы камфары.
Немецкие химики-органики Э. Эрленмейер и А. Лип синтезировали тирозин -
аминокислоту, которая входит в состав многих белков и пептидов.
Русский биолог и патолог И. Мечников открыл явление фагоцитоза
Немецкий микробиолог Р. Хок открыл возбудителя азиатской холеры.
Игорь Михайлович ТЕРНОВ
(р. 1921) - физик-теоретик, доктор физико-математических наук,
профессор, заведующий кафедрой теоретической физики физического
факультета МГУ, проректор МГУ, лауреат Государственной премии
СССР.
Родился в Москве. 13 1951 окончил физический факультет МГУ, в
1954 - аспирантуру. В том же году защитил кандидатскую
диссертацию, а в 1961 - докторскую. С 1954 работает на
физическом факультете, занимая последовательно должности
ассистента, доцента, профессора, заведующего кафедрой. С 1969 -
проректор МГУ. Научные исследования И. М. Тернова посвящены
классической и квантовой теории ультрарелятивистских частиц в
сильных электромагнитных и гравитационных полях. Им (совместно с
А. А. Соколовым) предсказан эффект самополяризации
ультрарелятивистских электронов и позитронов, движущихся в
магнитном поле (Государственная премия СССР, 1976).
И. М. Тернов- автор более 140 научных работ, в том числе
монографий и учебников. Его научная и педагогическая
деятельность отмечена рядом правительственных наград.
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
