Физика элементарных частиц и атомного ядра. Том 17 - Боголюбов Н.Н.
Скачать (прямая ссылка):
polarization effect is presented and the questions of application of
bunches of polarised particles of high energy in physical experiments
including the last achievements are disscus-sed.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к взаимодействию спина электрона с внешним электромагнитным полем
возник в начале 30-х годов в связи с первыми попытками объяснения
аномального эффекта Зеемана и ряда других экспериментально наблюдаемых
явлений, в том числе известных опытов О. Штерна и В. Герлаха. С тех пор
теория спина и экспериментальное наблюдение спиновых явлений развивались
параллельно, взаимно дополняя друг друга.
Первоначальное развитие теории спина было основано на гипотезе Уленбека и
Гаудсмита (1925), в соответствии с которой пола-
РАДИАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ 885
галось, что электрон обладает спиновыми механическим и магнитным
моментами, не связанными с перемещением частицы в пространстве. Уравнение
Паули (1927) заложило основы описания спина, а вслед за тем теория Дирака
(1928) утвердила полное единство спиновых и орбитальных свойств движения
релятивистских частиц.
Большое значение для дальнейшего развития теории и эксперимента имели
исследования влияния внешнего электромагнитного поля на спин частицы.
Важная роль здесь принадлежала методу магнитного резонанса, основанному
на идее Раби (1938) об одновременном воздействии на магнитный момент
постоянного и перпендикулярного к нему более слабого переменного
радиочастотного магнитного поля, вызывавшего изменение ориентации
магнитного момента частицы. Резонансный характер этого явления открыл
возможность достижения высокой точности измерения в физических
исследованиях - электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный
резонанс.
Магнитный резонансный метод исследования был применен, в частности, для
изучения расщепления уровней сверхтонкой структуры атомарного водорода и
дейтерия, что позволило обнаружить отклонение от теории Дирака, которая,
как казалось, была наиболее совершенной. Несмотря на малость обнаруженных
в эксперименте расхождений с теорией, эти опыты (Дж. Найфе, Е. Нельсон,
И. Ра(5и, 1947) имели принципиальное значение. Они послужили основой
предположения о том, что электрон обладает аномальным магнитным моментом
в дополнение к обычному спиновому магнитному моменту, численно равному
магнетону Бора. В 1948 г. Швингер разработал теорию этого явления,
объяснив аномальный магнитный момент электрона как результат
взаимодействия частицы с электромагнитным вакуумом.
В дальнейшем оказалось, что аномальный магнитный момент электрона
существенно влияет на поведение спина частицы во внешнем электромагнитном
поле и может вызвать при определенных условиях деполяризацию пучка.
Надо заметить, что проблема создания поляризованных пучков частиц
возникла уже давно и привлекала к себе внимание с точки зрения изучения
различных внешних воздействий на спин частицы, способных вызвать его
преимущественную ориентацию. В 1929 г. Мотт [1] на основе волнового
уравнения Дирака рассмотрел задачу
о рассеянии электронов на кулоновском поле ядер и впервые нашел, что
неполяризованный вначале пучок электронов, в котором спйй частиц
ориентируется случайным образом, после рассеяния должай поляризоваться.
Моттовское рассеяние в дальнейшем было положено в основу одного из
методов определения спинового состояния электронов, поскольку сечение
рассеяния электронов зависи* от ориентации ИХ СПИНОВ. .
На пути решения задачи создания пучков поляризованных электронов и
позитронов серьезный интерес вызвала возможйость поЛй^
886 ТЕРНОВ и. м.
ризации этих частиц при их движении в накопительных кольцах. Важным
фактором, объясняющим этот довольно сложный процесс установления
преимущественной ориентации спина частиц, явилось синхротронное
излучение, способное вызвать квантовые переходы, связанные с изменением
ориентации спина и обладающие особой асимметрией в зависимости от
поляризации частицы.
В результате воздействия синхротронного излучения при длительной
циркуляции электронов и позитронов в магнитном поле накопительного кольца
возникает направленный процесс ориентации спина частиц: спины электронов
ориентируются против магнитного поля, а спины позитронов - в
противоположном направлении (рис. 1).
Рис. 1. Схема радиационной поляризации сгустков позитронов (1) и
электронов (2), движущихся в камере накопительного кольца (3). Стрел--
нами s показано направление спина
Кинетика процесса радиационной поляризации неполяризован-ного вначале
пучка электронов определяется формулой
в которой время поляризации
8 Уз ft2 / тс2 \2 г Но \ з Т~ 15 ~тй*\ПГ) \~Н~) '
(Здесь Е - энергия электрона, Н0 = m2cs/eh - 4,4 -1013 Э - так называемое
швингеровское значение магнитного поля.) Таким образом, неполяризованный
вначале пучок электронов через сравнительно большой промежуток времени т
оказывается поляризованным, причем степень его поляризации Р (t)
стремится к предельному значению:
Р(оо) = 8 У1/15 = 0,924.
