Физики РФ первыми в мире описали способ разгона закрученных электронов без потери свойств
Ученые из Университета ИТМО предложили математическую модель, которая описывает, как именно ведут себя закрученные электроны в полях ускорителей и какие условия нужны, чтобы их особые свойства не разрушались.
Источник: Дмитрий Карловец. Так нейросеть видит электрон с «закрученностью», то есть вращающейся вокруг траектории движения плотностью вероятности.
МОСКВА, 4 марта. /Новости науки/. Российские физики первыми в мире описали способ разгона так называемых закрученных электронов до сверхвысоких скоростей, при сохранении их особых квантовых свойств. Речь идет о частицах, которые не просто движутся по кругу в ускорителе, а образуют своего рода квантовый водоворот. Такие электроны могут оказаться более эффективными, чем обычные, в электронной и ионной микроскопии сверхвысокого разрешения, а также открыть новые возможности для изучения квантовых эффектов и ядерных сил на ускорителях.
Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters, сообщила пресс-служба РНФ.
«До сих пор не было надежной и общепринятой квантовой модели, описывающей движение закрученной частицы при высоких энергиях. Наши расчеты позволили детально проанализировать различные механизмы потери закрученности и предложить методы ее сохранения при значительном увеличении энергии частицы. В дальнейшем нам предстоит проверить правильность сделанных выводов в экспериментах на ускорителях», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Нового физтеха Университета ИТМО Дмитрия Карловеца.
Как поясняют исследователи, если заряженную частицу, например электрон, поместить в кольцевой ускоритель, она начнет с огромной скоростью двигаться по кругу под действием магнитных полей. Однако существуют и особые частицы — закрученные, у которых помимо обычного движения возникает дополнительная внутренняя структура: их квантовая вероятность распределена так, что напоминает вихрь или водоворот вокруг траектории полета.
Сегодня такие частицы уже умеют получать, в частности, в электронных микроскопах, где они используются для изучения магнитных свойств материалов. Но до сих пор не было понятно, можно ли разогнать их на ускорителях почти до скорости света и при этом сохранить эту «закрученность». Без этого невозможно сталкивать такие частицы в коллайдерах и использовать их для исследования труднодоступных квантовых явлений, включая когерентность и запутанность.
Ученые из Университета ИТМО предложили математическую модель, которая описывает, как именно ведут себя закрученные электроны в полях ускорителей и какие условия нужны, чтобы их особые свойства не разрушались. В ходе расчетов авторы рассмотрели два главных механизма, из-за которых частица может потерять свою закрученность.
Первый связан с тем, что любая заряженная частица, летящая в электромагнитном поле ускорителя, теряет энергию, испуская фотоны — кванты света. Предполагалось, что у закрученной частицы вместе с энергией может исчезать и сам вихревой характер ее состояния. Однако расчеты показали, что на практике это почти не происходит: излучение не приводит к заметной потере закрученности.
Второй механизм связан с взаимодействием магнитного момента частицы с полями ускорителя. Магнитный момент можно представить как очень маленькую стрелку компаса, которая реагирует на внешнее магнитное поле. Именно это взаимодействие способно вызывать сбои в движении частицы и нарушать ее квантовое состояние. По расчетам ученых, у закрученных электронов такие сбои начинают проявляться при энергиях в 147 раз меньших, чем у обычных электронов.
Чтобы обойти эту проблему, исследователи предлагают использовать для работы с закрученными частицами не кольцевые, а линейные ускорители, где подобный эффект не возникает. Еще один вариант — применять специальные устройства, известные как «Сибирские змейки». Эти системы, разработанные в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске, периодически поворачивают магнитный момент частицы и тем самым помогают сохранять нужный режим ее движения.
По мнению авторов, новая модель впервые дает надежное теоретическое описание того, как ускорять закрученные частицы и какие ограничения при этом нужно учитывать. В перспективе такие исследования могут помочь создать новые подходы в квантовой микроскопии, квантовой оптике и физике ускорителей, а также расширить возможности коллайдеров для изучения фундаментальных свойств материи.
Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters, сообщила пресс-служба РНФ.
«До сих пор не было надежной и общепринятой квантовой модели, описывающей движение закрученной частицы при высоких энергиях. Наши расчеты позволили детально проанализировать различные механизмы потери закрученности и предложить методы ее сохранения при значительном увеличении энергии частицы. В дальнейшем нам предстоит проверить правильность сделанных выводов в экспериментах на ускорителях», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Нового физтеха Университета ИТМО Дмитрия Карловеца.
Как поясняют исследователи, если заряженную частицу, например электрон, поместить в кольцевой ускоритель, она начнет с огромной скоростью двигаться по кругу под действием магнитных полей. Однако существуют и особые частицы — закрученные, у которых помимо обычного движения возникает дополнительная внутренняя структура: их квантовая вероятность распределена так, что напоминает вихрь или водоворот вокруг траектории полета.
Сегодня такие частицы уже умеют получать, в частности, в электронных микроскопах, где они используются для изучения магнитных свойств материалов. Но до сих пор не было понятно, можно ли разогнать их на ускорителях почти до скорости света и при этом сохранить эту «закрученность». Без этого невозможно сталкивать такие частицы в коллайдерах и использовать их для исследования труднодоступных квантовых явлений, включая когерентность и запутанность.
Ученые из Университета ИТМО предложили математическую модель, которая описывает, как именно ведут себя закрученные электроны в полях ускорителей и какие условия нужны, чтобы их особые свойства не разрушались. В ходе расчетов авторы рассмотрели два главных механизма, из-за которых частица может потерять свою закрученность.
Первый связан с тем, что любая заряженная частица, летящая в электромагнитном поле ускорителя, теряет энергию, испуская фотоны — кванты света. Предполагалось, что у закрученной частицы вместе с энергией может исчезать и сам вихревой характер ее состояния. Однако расчеты показали, что на практике это почти не происходит: излучение не приводит к заметной потере закрученности.
Второй механизм связан с взаимодействием магнитного момента частицы с полями ускорителя. Магнитный момент можно представить как очень маленькую стрелку компаса, которая реагирует на внешнее магнитное поле. Именно это взаимодействие способно вызывать сбои в движении частицы и нарушать ее квантовое состояние. По расчетам ученых, у закрученных электронов такие сбои начинают проявляться при энергиях в 147 раз меньших, чем у обычных электронов.
Чтобы обойти эту проблему, исследователи предлагают использовать для работы с закрученными частицами не кольцевые, а линейные ускорители, где подобный эффект не возникает. Еще один вариант — применять специальные устройства, известные как «Сибирские змейки». Эти системы, разработанные в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске, периодически поворачивают магнитный момент частицы и тем самым помогают сохранять нужный режим ее движения.
По мнению авторов, новая модель впервые дает надежное теоретическое описание того, как ускорять закрученные частицы и какие ограничения при этом нужно учитывать. В перспективе такие исследования могут помочь создать новые подходы в квантовой микроскопии, квантовой оптике и физике ускорителей, а также расширить возможности коллайдеров для изучения фундаментальных свойств материи.
