Измерение магнитного и электрического дипольных моментов нейтральных очарованных и прелестных барионов на основе эффекта деполяризации их спина в кристаллах

  • Виктор Васильевич Тихомиров Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Поиск и измерение магнитных и электрических дипольных моментов элементарных частиц позволят уточнить структуру последних, а также получить данные о фундаментальных взаимодействиях. В настоящее время ведется подготовка экспериментов по измерению магнитных и электрических дипольных моментов очарованных и прелестных барионов, становящихся возможными при их рождении с энергией порядка тераэлектронвольта и выше, на Большом адронном коллайдере и еще более крупных проектируемых ускорителях. Измерение магнитных и электрических дипольных моментов основывается на зависимости от них изменений поляризации частиц в магнитном или электрическом поле. Проблема в том, что даже при рассматриваемых энергиях расстояние, которое проходит частица за время жизни (для краткости будем называть его длиной распада), измеряется сантиметрами, и необходимое изменение ее поляризации может быть достигнуто только в сильном кристаллическом поле, значительно превышающем любые поля, получаемые в лаборатории. В случае с положительно заряженными частицами подобные измерения основываются на эффекте вращения спина в условиях каналирования в изогнутом кристалле. Поскольку как в случае с нейтральными, так и в случае с отрицательно заряженными частицами эффект каналирования не может быть использован, для них остается применить эффект деполяризации спина, существующий в аморфном веществе и дополнительно усиливающийся в кристаллах. В целях количественного описания этого эффекта в статье найдена связь магнитных и электрических дипольных моментов нейтральной спиновой частицы с квадратом продольной поляризации, приобретаемой ею при движении под малым углом к одному из главных кристаллических направлений. Данный расчет составляет основу метода измерения магнитных и электрических дипольных моментов нейтральных очарованных и прелестных барионов, использующего эффект когерентного усиления действия на них атомных полей в кристаллах. Кроме того, в работе детализирована процедура подобных измерений, основанная на регистрации направления вылета одного из продуктов распада относительно плоскости, нормальной к импульсу, в системе покоя распадающейся частицы. Проведены оценки, показывающие, что минимальное количество частиц, необходимое для измерения магнитного дипольного момента нейтрального очарованного омега-бариона на Большом адронном коллайдере, составит порядка 104, а на коллайдерах, проектируемых на энергию порядка 50 ТэВ, – менее 103.

Биография автора

Виктор Васильевич Тихомиров, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник отраслевой лаборатории радиационной безопасности

Литература

  1. Барышевский ВГ. Вращение спина ультрарелятивистских частиц, пролетающих через кристалл. Письма в Журнал технической физики. 1979;5(3):182–184. EDN: KGTTDU.
  2. Chen D, Albuquerque IF, Baublis VV, Bondar NF, Carrigan RA Jr, Cooper PS, et al. First observation of magnetic moment precession of channeled particles in bent crystals. Physical Review Letters. 1992;69(23):3286–3289. DOI: 10.1103/PhysRevLett.69.3286.
  3. Kim IJ. Magnetic moment measurement of baryons with heavy-flavored quarks by planar channeling through a bent crystal. Nuclear Physics B. 1983;229(1):251–268. DOI: 10.1016/0550-3213(83)90363-2.
  4. Baryshevsky VG. The possibility to measure the magnetic moments of short-lived particles (charm and beauty baryons) at LHC and FCC energies using the phenomenon of spin rotation in crystals. Physics Letters B. 2016;757:426–429. DOI: 10.1016/j.physletb.2016.04.025.
  5. Baryshevsky VG. Spin rotation and depolarization of high-energy particles in crystals at LHC and FCC energies. The possibility to measure the anomalous magnetic moments of short-lived particles and quadrupole moment of Ω-hyperon. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms. 2017;402:5–10. DOI: 10.1016/j.nimb.2017.02.081.
  6. Fomin AS, Barsuk S, Korchin AYu, Kou E, Kovalchuk VA, Liul M, et al. The prospect of charm quark magnetic moment determination. The European Physical Journal C. 2020;80(5):358. DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-7891-0.
  7. Aiola S, Bandiera L, Cavoto G, De Benedetti F, Fu J, Guidi V, et al. Progress towards the first measurement of charm baryon dipole moments. Physical Review D. 2021;103(7):072003. DOI: 10.1103/PhysRevD.103.072003.
  8. Любошиц ВЛ. Поворот спина при отклонении релятивистской заряженной частицы в электрическом поле. Ядерная физика. 1980;31(4):986–992.
  9. Baryshevsky VG. Spin rotation and depolarization of relativistic particles traveling through a crystal. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms. 1990;44(3):266–272. DOI: 10.1016/0168-583X(90)90638-B.
  10. Baryshevsky VG. Electromagnetic dipole moment and time reversal invariance violating interactions of high energy short-lived particles in bent and straight crystals. Physical Review Accelerators and Beams. 2019;22(8):081004. DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.081004.
  11. Akhiezer AI, Shul’ga NF. High-energy electrodynamics in matter. Luxembourg: Gordon and Breach; 1996. XII, 388 p.
  12. Navas S, Amsler C, Gutsche T, Hanhart C, Hernández-Rey JJ, Lourenço C, et al. (Particle Data Group). Review of particle physics. Physical Review D. 2024;110(3):030001. DOI: 10.1103/PhysRevD.110.030001.
  13. Fukuyama T, Silenko AJ. Derivation of generalized Thomas – Bargmann – Michel – Telegdi equation for a particle with electric dipole moment. International Journal of Modern Physics A. 2013;28(29):1350147. DOI: 10.1142/S0217751X13501479.
  14. Lee TD, Yang CN. General partial wave analysis of the decay of a hyperon of spin 1/2. Physical Review. 1957;108(6):1645. DOI: 10.1103/PhysRev.108.1645.
  15. Ter-Mikaelian ML. High-energy electromagnetic processes in condensed media. New York: John Wiley & Sons; 1972. IX, 457 p. (Marshak RE, editor. Interscience tracts on physics and astronomy; number 29).
  16. Davydov AS. Quantum mechanics. ter Haar D, translator and editor. Oxford: Pergamon Press; 1965. XIV, 680 p. (ter Haar D, editor. International series of monographs in natural philosophy; volume 1).
  17. Mazzolari A, Sytov A, Bandiera L, Germogli G, Romagnoni M, Bagli E, et al. Broad angular anisotropy of multiple scattering in a Si crystal. The European Physical Journal C. 2020;80(1):63. DOI: 10.1140/epjc/s10052-019-7586-6.
  18. Wang G-J, Meng L, Li H-S, Liu Z-W, Zhu S-L. Magnetic moments of the spin 1/2 singly charmed baryons in chiral perturbation theory. Physical Review D. 2018;98(5):054026. DOI: 10.1103/PhysRevD.98.054026.
Опубликован
2025-02-11
Ключевые слова: магнитный дипольный момент, электрический дипольный момент, нейтральные частицы, очарованные барионы, прелестные барионы, кристаллы, каналирование, спин, деполяризация, высокие энергии, тераэлектронвольт, Большой адронный коллайдер
Поддерживающие организации Автор выражает признательность профессору В. Г. Барышевскому за введение в круг своих идей и ценные дискуссии на протяжении 45 лет, профессору И. Д. Феранчуку за советы касательно данной статьи и многолетние помощь и поддержку, а также кандидату физико-математических наук С. Л. Черкасу за полезное обсуждение.
Как цитировать
Тихомиров, В. В. (2025). Измерение магнитного и электрического дипольных моментов нейтральных очарованных и прелестных барионов на основе эффекта деполяризации их спина в кристаллах. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 4-16. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6847
Выпуск
№ 1 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика ядра и элементарных частиц

Copyright (c) 2025 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).