El efecto Sokolov-Ternov es el efecto de la autopolarización de electrones relativistas o positrones que se mueven a alta energía en un campo magnético . La autopolarización se produce mediante la emisión de radiación de sincrotrón spin-flip . El efecto fue predicho por Igor Ternov y la predicción rigurosamente justificada por Arseny Sokolov utilizando soluciones exactas de la ecuación de Dirac . [1] [2]
Teoría
Un electrón en un campo magnético puede tener su espín orientado en la misma dirección ("girar hacia arriba") o en la dirección opuesta ("girar hacia abajo") con respecto a la dirección del campo magnético (que se supone que está orientado "hacia arriba" ). El estado de "giro hacia abajo" tiene una energía más alta que el estado de "giro hacia arriba". La polarización surge debido al hecho de que la velocidad de transición a través de la emisión de radiación de sincrotrón al estado de "giro hacia abajo" es ligeramente mayor que la probabilidad de transición al estado de "giro hacia arriba". Como resultado, un haz inicialmente no polarizado de electrones de alta energía que circula en un anillo de almacenamiento después de un tiempo suficientemente largo tendrá espines orientados en la dirección opuesta al campo magnético. La saturación no es completa y se describe explícitamente mediante la fórmula [3]
dónde es el grado límite de polarización (92,4%), y es el tiempo de relajación:
Aquí es como antes, y son la masa y la carga del electrón, es la permitividad del vacío , es la velocidad de la luz, es el campo de Schwinger , es el campo magnético, y es la energía del electrón.
El grado limitante de polarización es menor que uno debido a la existencia de intercambio de energía espín-orbital, lo que permite transiciones al estado de "giro hacia arriba" (con una probabilidad 25,25 veces menor que al estado de "giro hacia abajo").
El tiempo de relajación típico es del orden de minutos y horas. Por lo tanto, la producción de un haz altamente polarizado requiere un tiempo suficiente y el uso de anillos de almacenamiento .
El efecto de autopolarización de los positrones es similar, con la única diferencia de que los positrones tenderán a tener espines orientados en la dirección paralela a la dirección del campo magnético. [4]
Observación experimental
El efecto Sokolov-Ternov se observó experimentalmente en la URSS , Francia, Alemania, Estados Unidos, Japón y Suiza en anillos de almacenamiento con electrones de energía de 1 a 50 GeV. [3] [5]
- 1971 - Instituto Budker de Física Nuclear (primera observación), con el uso del anillo de almacenamiento VEPP-2 de 625 MeV .
- 1971 - Orsay (Francia), con el uso de un anillo de almacenamiento АСО de 536 MeV.
- 1975 - Stanford (EE. UU.), Con el uso de un anillo de almacenamiento SPEAR de 2,4 GeV.
- 1980 - DESY , Hamburgo (Alemania), con el uso de 15,2 GeV PETRA .
Aplicaciones y generalización
El efecto de la polarización radiativa proporciona una capacidad única para crear haces polarizados de electrones y positrones de alta energía que se pueden utilizar para varios experimentos.
El efecto también se ha relacionado con el efecto Unruh que, hasta ahora, en condiciones alcanzables experimentalmente es demasiado pequeño para ser observado.
La polarización de equilibrio dada por Sokolov y Ternov tiene correcciones cuando la órbita no es perfectamente plana. La fórmula ha sido generalizada por Derbenev y Kondratenko y otros. [6]
Patentar
- Sokolov AA y Ternov IM (1973): Laudo N 131 de 7 de agosto de 1973 con prioridad de 26 de junio de 1963, Byull. Otkr. i Izobr., vol. 47 .
Ver también
Notas
- ^ Sokolov, AA; MI Ternov (1963).О поляризационных и спиновых эффектах в теории синхротронного излучения[Efectos de polarización y espín en la teoría de la radiación de sincrotrón]. Doklady Akademii Nauk SSSR (en ruso). 153 (5): 1052–1053.
- ^ AA Sokolov e IM Ternov (1964). "Sobre la polarización y los efectos de giro en la teoría de la radiación sincrotrón" (PDF) . Sov. Phys. Dokl . 8 : 1203. Código Bibliográfico : 1964SPhD .... 8.1203S .[ enlace muerto permanente ]
- ^ a b AA Sokolov; MI Ternov (1986). CW Kilmister (ed.). Radiación de electrones relativistas . Nueva York: Serie de traducción del Instituto Americano de Física. ISBN 0-88318-507-5. Sección 21.3 para la teoría y sección 27.2 para verificaciones experimentales del efecto Sokolov-Ternov.
- ^ J. Kessler (1985). Electrones polarizados (2ª ed.). Berlín: Springer. Sección 6.2.
- ^ VA Bordovitsyn, ed. (1999). Teoría de la radiación sincrotrón y su desarrollo: en memoria de IM Ternov . Singapur: World Scientific . ISBN 981-02-3156-3. Archivado desde el original el 3 de enero de 2010 . Consultado el 17 de agosto de 2008 .
- ^ Barbero, DP; Mane, SR (1988). "Cálculos de Bell y Leinaas y Derbenev y Kondratenko para polarización radiativa de electrones" (PDF) . Physical Review A . 37 (2): 456–463. Código Bibliográfico : 1988PhRvA..37..456B . doi : 10.1103 / PhysRevA.37.456 . PMID 9899676 .