俄罗斯科学家提出同一储存环测量质子与氘核电偶极矩新方案

8月21日消息，来自莫斯科物理技术学院、俄罗斯科学院核研究所、莫斯科国立核能大学和俄罗斯科学院朗道理论物理研究所的科研人员提出一种新的实验方案，可在同一个储存环中研究质子和氘核的电偶极矩。该方案既可用于专门建设的新设施，也有望在经过升级的现有加速器复合体中实现。

质子和氘核的电偶极矩反映粒子内部电荷分布相对于自旋方向的不对称性。按照标准模型预测，其数值非零但极其微小，约为10⁻³¹ e·cm，远低于当前实验灵敏度。如果实验能够在现有可达精度范围内发现电偶极矩信号，将为探索标准模型之外的新物理提供重要线索。

这类测量还与物质和反物质不对称问题密切相关。电偶极矩对CP破坏非常敏感，实验探测结果有助于检验自然界是否存在已知机制之外的CP破坏来源。

由于电偶极矩信号极弱，实验通常需要利用储存环，使偏振粒子束沿闭合轨道多次循环，并通过偏振计记录自旋方向变化。难点在于，粒子的磁偶极矩会引起更强的自旋进动，掩盖电偶极矩信号。因此，研究人员需要让粒子自旋相对于束流方向保持“冻结”或“准冻结”状态。

传统质子“冻结自旋”方案依赖纯静电储存环，在特定能量下可使质子自旋与运动方向保持一致。但氘核的反常磁矩符号不同，纯静电方案无法直接适用，通常需要同时使用电场和磁场。这也意味着，按传统设计，质子和氘核测量往往需要不同结构的加速器环。

此次研究采用“准冻结自旋”思路：自旋并非在整个环中始终固定，而是在部分区域发生偏转后，由补偿元件抵消累积旋转，使其在每个重复单元后接近初始状态。研究团队计算了补偿元件的最小长度要求，并比较了质子和氘核在同一环形结构中的运动与自旋行为。

在所提出的储存环结构中，磁性元件负责维持束流轨道，补偿器布置在直线段，用于抵消粒子经过磁弧时积累的自旋旋转。研究人员分析了两种补偿器设计：一种是利用交叉电场和磁场调节自旋方向的维恩滤波器;另一种是由静电偏转元件组成的方案，用于同时影响束流偏转和自旋状态。

计算结果显示，该配置同时适用于氘核和质子。不同粒子模式之间切换时，需要调整补偿器极性或方向，并改变束流能量。对于氘核，在16个环周期内，相比理想冻结自旋状态仍可保留约99%的有效信号;对于质子，同一结构可保留约80%的有效信号。研究人员认为，这为质子测量时储存环重复单元数量和灵敏度设计提供了参考。

不过，质子束在最佳能量下所需补偿器长度接近氘核束的五倍。为在同一个环中完成两类粒子测量，研究团队提出可降低质子能量，以缩短补偿器长度，但这会相应降低质子测量灵敏度。

研究人员表示，该方法使质子和氘核电偶极矩测量更接近实际实验条件，也可用于偏振控制、更高能量束流研究，以及寻找类轴子粒子等方向。未来，相关团队计划验证准冻结自旋方法，并实现1000秒量级的自旋相干时间。俄罗斯NICA-Nuclotron综合设施被认为具备开展此类研究的潜力，科研人员也在讨论建设独立储存环等方案。