Для ускорительных экспериментов. Ученые научились закручивать электроны

Ученые ИТМО первыми в мире разработали метод закручивания электронов с помощью луча лазера. Новая методика открывает перспективы для проведения экспериментов с закрученными электронами в коллайдерах, что раньше считалось невозможным. Открытие позволит узнать больше о структуре и поведении протонов и нейтронов, из которых состоит ядро атома, а также природе кварков — одних из мельчайших известных на сегодня частиц материи.

Результаты исследования были опубликованы в статье в журнале Physical Review A.

Электроны проявляют себя и как частицы, и как волны, а значит, могут принимать разные формы, из-за чего меняются их свойства. Одна из возможных «фигур», в которую «трансформируется» электрон, — винт. Частица закручивается вокруг самой себя по спирали. Именно такие электроны физики и называют закрученными. Такие частицы уже использовали в экспериментах на электронных микроскопах. Но ученые надеются изучить их свойства и в экспериментах в ускорителях — установках, где электроны под действием электрических и магнитных полей разгоняются до гораздо больших энергий, то есть движутся быстрее и с большей силой воздействуют на окружающие частицы. Эти исследования позволят расширить наши знания о материи.

Обычно электроны закручивают с помощью специальных решеток. Частицы проходят через нее и принимают форму «винта». Однако этот метод работает только с не очень быстрыми электронами. В ускорителях электроны движутся значительно быстрее «обычных», поэтому и закрутить их «стандартным» способом не получится. Для этого нужно использовать решетку с периодом, расстоянием между серединами соседних щелей, меньше атома. Этого не позволяют уже фундаментальные физические и технологические ограничения.

Ученые ИТМО предложили способ закручивать электроны еще до того, как они попадают в ускоритель, и параллельно с этим уже закрученными «загонять» их в установку. Для этого луч лазера сначала пропускают через «закручивающую» фотоны решетку. После эти закрученные частицы света проходят через кристаллы и становятся ультрафиолетовыми. Затем фотоны «ударяют» по металлической пластинке и «выбивают» из нее электроны, передают им «свойство закрученности» и проталкивают в ускоритель. По расчетам физиков, такой метод будет работать в любых условиях: как в идеальных, когда атом находится на оси луча лазера и закрученность «передается напрямую» с тем же значением, так и в реальных, когда передача закрученности происходит с «погрешностями» сразу нескольким атомам, разбросанным в определенной области.

«Под закрученным электроном мы подразумеваем одну частицу. Но это лишь в теории, в реальности мы наблюдаем за “пучком” таких частиц. И чтобы как можно точнее отследить свойство каждой, необходимо “запустить” в коллайдер максимально мало электронов. Иначе они будут взаимодействовать друг с другом и терять “индивидуальные” характеристики. В итоге мы получим ту же классическую систему. Однако размер “пучков”, то есть количество электронов, мы можем регулировать с помощью повышения или понижения интенсивности луча лазера. Размер же каждого отдельного электрона — с помощью длины волны. Поэтому эти эксперименты нужно проводить в режиме маленьких токов, чтобы электроны “влетали” в коллайдер по одному и сохраняли крайне слабое взаимодействие», — объясняет один из авторов исследования, магистрант ИТМО Илья Павлов.

Эксперименты с закрученными электронами позволят узнать больше о том, как «собираются» протоны и нейтроны внутри ядра атома, как они взаимодействуют с другими частицами. Кроме того, ученые предполагают, что благодаря новым данным, полученным в ходе экспериментов, им удастся приблизиться к пониманию природы кварков. 

Сейчас главная цель ученых — протестировать метод на практике. Коллеги физиков ИТМО из Объединенного института ядерных исследований в Дубне работают над установкой для эксперимента — устанавливают решетку на лазер, «подводят» его к ускорителю электронов и налаживают систему «связи» между ними. «Запустить» закрученные электроны в ускоритель планируется до начала следующего года. Кроме того, исследователи намерены продолжить теоретическую работу. В усложненной модели метода будут учитываться факт передачи энергии от света не только электрону, но и ядру атома. Так модель станет более точной и приближенной к реальным условиям. 

Исследование проводилось в рамках гранта РНФ группой ученых из ИТМО под руководством доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Дмитрия Карловца кандидатом физико-математических наук Алисой Чайковской и магистрантом ИТМО Ильей Павловым.