俄科研团队提出单储存环测量质子与氘核电偶极矩新方法

俄罗斯多家科研机构的物理学家提出一种用于寻找质子和氘核电偶极矩的新方法，有望在同一个储存环中研究这两类粒子。参与机构包括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。相关研究发表在《核科学与技术》期刊，并获得俄罗斯科学基金会项目资助。

电偶极矩反映粒子内部电荷分布与自旋方向之间是否存在微小不对称。按照标准模型预测，质子和氘核的电偶极矩虽不为零，但数值极低，约为10⁻³¹ e·cm，远低于当前实验灵敏度。如果实验探测到更高水平的电偶极矩，将可能为超出标准模型的新物理提供线索。

这类测量也与物质和反物质不对称问题相关。电偶极矩对CP破坏非常敏感，对其进行高精度测量，有助于检验自然界中是否存在已知来源之外的CP破坏机制。

在实验上，物理学家通常利用储存环让偏振轻核束沿闭合轨道多次运行，并通过偏振计记录粒子自旋方向变化。难点在于，粒子的磁偶极矩会引起远强于电偶极矩效应的自旋进动。为了分离微弱的电偶极矩信号，研究人员需要补偿这种进动，使粒子自旋相对于束流方向处于“冻结”或“准冻结”状态。

传统的质子“冻结自旋”方案依赖纯静电储存环;但由于氘核反常磁矩符号不同，氘核无法采用同样方式实现冻结自旋，需要同时利用电场和磁场。这意味着以往质子和氘核测量通常需要不同的环形结构，也使相关装置难以直接嵌入现有以磁性元件控制束流轨道的加速器系统。

此次研究采用“准冻结自旋”思路。该方法并不要求自旋在整个环中始终固定，而是在环的部分区域允许自旋发生偏转，再由专门补偿元件抵消累积旋转，使自旋在每个重复环段之后基本恢复到初始状态。

研究团队比较了质子和氘核在同一环结构中的行为，并提出补偿元件的最小长度要求。方案中，磁性元件负责维持束流轨道，补偿器布置在直线段，用来抵消粒子经过磁弧段时累积的自旋旋转。研究人员分析了两类补偿器设计：一种是利用交叉电场和磁场调节自旋、同时尽量不改变束流轨迹的维恩滤波器;另一种是静电偏转器组合，用于偏转束流并影响自旋，再使粒子回到所需轨道。

计算显示，该配置可同时适用于氘核和质子。不同运行模式之间的切换主要通过改变补偿器极性或方向、调整束流能量来完成。对于氘核，在16个环周期内，相比理想冻结自旋状态约可保留99%的有效信号;对于质子，同一结构约可保留80%的有效信号。研究人员认为，这为质子测量提出了明确设计要求，即环结构需要包含足够多的重复区域，否则灵敏度会受到影响。

研究还指出，在最佳能量下，质子束所需补偿器长度几乎是氘核束的五倍。为实现同一储存环兼顾两类粒子测量，团队提出可降低质子能量，以缩短补偿器长度，但这也会降低质子测量灵敏度。

研究人员表示，下一步希望通过实验验证准冻结自旋方法，并实现1000秒自旋相干时间，同时发展其他电偶极矩信号测量手段。相关方案未来或可在NICA-Nuclotron综合设施开展研究，也可考虑建设独立储存环。该配置还可用于偏振控制、更高能量束流研究以及寻找轴子状粒子。