Effet Sokolov-Ternov

L'effet Sokolov-Ternov est une auto-polarisation d'électrons ou de positrons relativistes énergétiques se déplaçant dans un champ magnétique. L'auto-polarisation survient lors de l'émission d'un rayonnement synchrotron spin-flip. L'effet a été prédit par Igor Ternov (en) et rigoureusement démontré par Arsenij Sokolov (en) grâce à des solutions exactes de l'équation de Dirac^[1],[2]

Théorie

Un électron dans un champ magnétique peut avoir son spin orienté vers le « haut » ou vers le « bas » en regard de la direction du champ magnétique (qui est par hypothèse orienté vers le « haut »). Le spin vers le « bas» est dans un état de plus grande énergie que l'état vers le « haut». Le rayonnement synchrotron modifie l'état du spin des électrons. La probabilité du passage vers un état « bas » est légèrement plus élevée que celle vers le « haut ». Lorsqu'un faisceau d'électrons non polarisés circule suffisamment longtemps dans un anneau de stockage, le spin de la plupart des électrons sera orienté dans une direction opposée à celle du champ magnétique^[3]. La saturation en fonction du temps, incomplète, est donnée par l'équation :

${\displaystyle \xi (t)=A{\Bigl (}1-e^{-t/\tau }{\Bigr )}}$

où ${\displaystyle A=8{\sqrt {3}}/15\approx 0.924}$ est la limite de polarisation et ${\displaystyle \tau }$ est le temps de relaxation :

${\displaystyle \tau =A{{{\hbar }^{2}} \over {mc{e}^{2}}}{\Bigl (}{{mc^{2}} \over {E}}{\Bigr )}^{2}{\Bigl (}{H_{0} \over H}{\Bigr )}^{3}.}$

Ici, ${\displaystyle A}$ est comme avant, ${\displaystyle \hbar }$ est la constante de Planck réduite, ${\displaystyle m}$ et ${\displaystyle e}$ sont la masse et la charge de l'électron, ${\displaystyle c}$ est la vitesse de la lumière, ${\displaystyle E}$ est l'énergie de l'électron, ${\displaystyle H_{0}\approx 4.41\times 10^{13}\times G}$ (${\displaystyle G}$ est le champ de Schwinger) et ${\displaystyle H}$ est le champ magnétique.

La limite de polarisation ${\displaystyle A}$ est moindre que 1 à cause de l'existence d'un échange d'énergie du spin au niveau de l'orbitale atomique qui permet les transitions vers l'état « haut ». Le temps de relaxation est de l'ordre de l'heure. La production d'un faisceau très polarisé demande donc un long temps d'exposition dans un anneau de stockage.

L'auto-polarisation pour les positrons est semblable, à l'exception qu'ils tendront à avoir un spin orienté parallèlement à la direction du champ magnétique^[4].

Cet effet semble avoir un lien avec l'effet Unruh, qui n'a jamais pu être observé expérimentalement jusqu'à aujourd'hui, en 2012.

Observations expérimentales

L'effet Sokolov-Ternov a été observé expérimentalement en URSS, France, Allemagne, États-Unis, Japon et Suisse dans les anneaux de stockage abritant des électrons ayant une énergie dans la plage 1-50 GeV^[3],[5].

• 1971 : Budker Institute of Nuclear Physics (URSS, première observation), dans l'anneau VEPP-2 (625 MeV)
• 1971 : Orsay (France), dans l'anneau ACO (536 MeV)
• 1975 : Stanford (États-Unis), dans l'anneau SPEAR (2,4 GeV)
• 1980 : DESY (Hambourg, Allemagne), dans l'anneau PETRA (15,2 GeV).

Applications

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Sokolov–Ternov effect » (voir la liste des auteurs).

1. (ru) A. A. Sokolov, « О поляризационных и спиновых эффектах в теории синхротронного излучения » [« Polarization and spin effects in the theory of synchrotron radiation »], Doklady Akademii Nauk SSSR, vol. 153, n^o 5,‎ 1963, p. 1052–1053
2. A. A. Sokolov and I. M. Ternov, « On Polarization and Spin Effects in Synchrotron Radiation Theory », Sov. Phys. Dokl., vol. 8,‎ 1964, p. 1203 (Bibcode 1964SPhD....8.1203S, lire en ligne)
3. (en) A. A. Sokolov, I. M. Ternov et C. W. Kilmister (dir.), Radiation from Relativistic Electrons, New York, American Institute of Physics Translation Series, 1986 (ISBN 0-88318-507-5), Section 21.3 pour la théorie et section 27.2 pour les vérifications expérimentales
4. J. Kessler, Polarized Electrons. 2nd edition, Berlin, Springer, 1985 Section 6.2.
5. V. A. Bordovitsyn (editor), Synchrotron Radiation Theory and Its Development : in Memory of I. M. Ternov, Singapour, World Scientific, 1999 (ISBN 981-02-3156-3, lire en ligne)

Articles connexes

• Effet Unruh
• Rayonnement de Hawking

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