Ефект Соколова — Тернова

Ефект Соколова — Тернова — ефект самополярізаціі згустка електронів або позитронів в магнітному полі за допомогою синхротронного випромінювання. Передбачений А. О. Соколовим і І. М. Терновим в 1963 році.^[1]

Теорія

Електрон в магнітному полі може перебувати в стані зі спіном, спрямованим паралельно («спін вгору») або антипаралельно («спін вниз») магнітному полю (передбачається, що магнітне поле направлено вгору). Стан «спін вниз» має меншу енергію в порівнянні зі станом «спін вгору». Теоретичний розрахунок показав, що ймовірність переходу в стан «спін вниз» за рахунок синхротронного випромінювання не на багато більша, ніж в стан «спін вгору». В результаті спочатку неполяризований згусток електронів, який рухається в накопичувальному прикорювальному комплексі, через досить тривалий час перейде в поляризований стан зі спіном, спрямований протилежно магнітному полю. Поляризація не є повною; її залежність від часу описується формулою

${\displaystyle \xi (t)=A\left(1-e^{-t/\tau }\right),}$

де ${\displaystyle A=8{\sqrt {3}}/15\approx 0{,}924}$ — гранична ступінь поляризації (92,4 %) і ${\displaystyle \tau }$ — час релаксації, рівний

${\displaystyle \tau ={\frac {8\hbar ^{2}}{5{\sqrt {3}}mce^{2}}}\left({\frac {mc^{2}}{E}}\right)^{2}\left({\frac {H_{0}}{H}}\right)^{3}.}$

тут ${\displaystyle m}$, ${\displaystyle e}$ і ${\displaystyle c}$ — маса, величина заряду електрона і швидкість світла; ${\displaystyle H_{0}\approx 4{,}41\times 10^{13}}$ Гс — поле Швінгера, ${\displaystyle H}$ — напруженість магнітного поля, ${\displaystyle E}$ — енергія електрона.

Менша за одиницю гранична ступінь поляризації ${\displaystyle A}$ виникає через наявність обміну енергією між спіновою і орбітальною ступенями свободи, який робить можливим перехід в стан «спін вгору» (з ймовірністю, в 25,25 разів меншою, ніж в стан «спін вниз»).

Характерний час релаксації становить хвилини або години. Тому для отримання досить дуже поляризованого згустка потрібен тривалий час і практично використовуються накопичувальні кільця, що дозволяють зберігати згусток електронів протягом годин.

Ефект також описує поляризацію позитронів, з тією різницею, що для позитрона стан «спін вгору» має меншу енергію в порівнянні зі станом «спін вниз». В результаті згусток позитронів переходить в стан зі спіном, орієнтований в тому ж напрямку, що і магнітне поле.

Експериментальне виявлення

• 1971 — Інститут ядерної фізики СО РАН (перше спостереження), використовувався прискорювально-накопичувальний комплекс ВЕПП-2, 625 МеВ.
• 1971 — Орсе (Франція), використовувалося накопичувальне кільце ACO, 536 МеВ.
• 1975 — SLAC, Стенфорд (США), використовувалося накопичувальне кільце SPEAR, 2,4 ГеВ.
• 1980 — DESY, Гамбург (ФРН), використовувався прискорювач PETRA, 15,2 ГеВ.

Застосування

Дозволяє отримувати поляризовані згустки електронів для проведення подальших експериментів. Переваги:^[2]

• дозволяє отримувати поляризовані згустки високих енергій (фактично є ефективним, починаючи з енергії в кілька сотень МеВ);
• процес поляризації не змінює властивостей згустка (інтенсивності й т. д.), що вигідно відрізняє його, наприклад, від способу отримання поляризованих згустків за допомогою розсіювання;
• електрони і позитрони можуть бути поляризовані при будь-якій заданій енергії, що вирішує вельми складне завдання прискорення поляризованих частинок.

Диплом

Соколов А. О. і Тернов І. М. (1973). Диплом за наукове відкриття «Ефект радіаційної самополярізаціі електронів в магнітному полі», занесене в Державний реєстр відкриттів СРСР під № 131 від 7 серпня 1973, пріоритет від 26 червня 1963 року (Бюлетень відкриттів і винаходів, том 47).^[3]

Формула відкриття: «Встановлено раніше невідоме явище поляризації релятивістських електронів і позитронів при їх рухові в магнітному полі (наприклад, в накопичувальних кільцях), обумовлене квантовими флуктуаціями синхротронного випромінювання»^[4].

Література

1. Соколов А. А., Тернов И. М.  // Доклады Академии Наук СССР^[ru] : журнал. — 1963. — Т. 153. — С. 1053.
2. Байер В. Н.  // Успехи физических наук : journal. — Российская академия наук, 1971. — Vol. 105. — P. 441.
3. Научные открытия России. Архів оригіналу за 22 квітня 2012. Процитовано 11 січня 2020.
4. РАН: Новые книги и открытия — 1973 год

Див. також

• Багров В. Г. Квантові ефекти в синхротронного випромінювання [Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.], частина 6.
• Sokolov AA and Ternov IM (1964): "On Polarization and Spin Effects in Synchrotron Radiation Theory ". Sov. Phys. Dokl. 8: 1203.
• Kessler J. (1985): Polarized Electrons. 2nd edition. Berlin: Springer. Частина 6.2.
• Sokolov AA and Ternov IM (1986): Radiation from Relativistic Electrons. New York: American Institute of Physics Translation Series. Edited by CW Kilmister. ISBN 0-88318-507-5 . Частина 21.3 (теорія) і частина 27.2 (експеримент).