Эксперимент NA63

Эксперимент NA63 направлен на изучение процесса излучения в сильных электромагнитных полях . Расположен в ЦЕРНе , в Северной зоне. Это эксперимент с фиксированной мишенью , который использует вторичные электронные пучки H4 от SPS , которые направляются на различные мишени. Они сделаны из различных элементов, от относительно легкого углерода и кремния , через более тяжелое железо и олово до вольфрама , золота и свинца , и являются либо аморфными , либо монокристаллами ( например, из алмаза ).

Этот эксперимент является частью исследовательской программы SPS, сбор данных начался в 2010 году под руководством г-на Ульрика Ингерслева Уггерхоя в качестве представителя. [1]

Экспериментальная зона NA63.

Критические поля в кристаллических мишенях

Одной из основных целей NA63 является изучение «подобного Клейну» трезубцу производства. Это явление происходит в очень сильных электромагнитных полях, когда движущийся электрон проникает в поле и испускает пару электрон/позитрон . Чтобы это произошло, поле должно быть больше так называемого критического поля E0 = 1,32*10^16 В/см-1, [2] что невозможно создать в лаборатории. Однако в случае кристаллических мишеней [3] проникающие частицы испытывают электромагнитное поле, близкое к этому теоретическому критическому. Действительно, если электроны входят в кристалл с малым углом падения к кристаллографическому направлению (оси или плоскости) в одном кристалле, электрические поля его составляющих когерентно складываются , создавая общее поле около 10^11 В/см, которое затем становится непрерывным и макроскопическим . Если кристалл вращается из аморфной конфигурации, то в системе покоя электрона ядерные поля когерентно складываются в направлении движения и полное поле в конечном итоге может достичь искомых 10^16 В/см. [2]

В таких полях электрон может получить энергию, соответствующую образованию новой пары электрон-позитрон, если он переносится на расстояние, заданное квантово-механической неопределенностью его местоположения: Δd= ƛ = ħ/mc. Таким образом, ожидается — и наблюдается [2] — значительное производство новых частиц , как только поле в системе покоя электрона становится критическим.

Такие поля обычно наблюдаются только в астрофизических явлениях, таких как сильно намагниченные нейтронные звезды, черные дыры (где сильным является гравитационное поле, а не электромагнитное, как в NA63), где излучение Хокинга является близким аналогом, и, возможно, в космических ускорителях, которые порождают космические лучи самых высоких известных энергий. Используя специальный подход, использующий кристаллические мишени и энергетические пучки от SPS (~ 100 ГэВ), NA63 удалось протестировать процессы в таких полях в лабораторных условиях.

Время выброса

Другим направлением исследования NA63 является влияние сильных электромагнитных полей на длительность процесса испускания фотона . В частности, поля критической величины оказывают интригующее влияние на то, сколько времени требуется электрону для испускания фотона .

Электрон, попадающий в электрическое поле, ускоряется и, следовательно, должен потерять часть своей энергии в виде фотона через эффект тормозного излучения — процесс, при котором заряженная частица испускает электромагнитное излучение при замедлении при прохождении атома, например, в твердом материале. Используя релятивистские явления замедления времени и сокращения длины , эксперимент NA63 показал, что этот процесс испускания фотона не мгновенный, а скорее занимает время. [4] Поскольку процесс занимает время, на производство фотона можно влиять экспериментально. Для нерелятивистских частиц это время настолько коротко, что исследования очень затруднены, если не исключены. Но для релятивистских частиц, используемых NA63, их время «замедляется» примерно в полмиллиона раз из-за релятивистского эффекта замедления времени, что делает исследования возможными.

В критическом электромагнитном поле, напротив, электроны отклоняются так сильно, что у них не остается достаточно времени для излучения фотонов. Таким образом, регулировка электромагнитного поля за пределами критического уровня может изменить возникающий спектр излучения пучка электронов: увеличивайте поле, и относительный выход излучения пучка уменьшается. NA63 исследует такие эффекты, и одним из основных результатов, показанных на данный момент, является измерение квантовых поправок к синхротронному излучению [5] , которое обычно наблюдается только в своей классической форме в синхротронном (накопительном) кольце.

Реакция на излучение

Реакция излучения — давняя проблема электродинамики . Вкратце она касается обратной реакции испускаемого фотона на заряженную частицу, которая его испускает. В классической теории решения уравнений движения приводят к абсурдным последствиям, например, конфликтам с сохранением энергии или причинностью . В квантовой версии, так называемой квантовой электродинамике (КЭД), проблема в принципе решена, поскольку известны требуемые методы. Однако связанные с этим вычислительные трудности серьезны, и были решены только сравнительно простые проблемы. Оказывается, что сильные поля — это путь к экспериментальному решению проблемы, и (участники) коллаборации NA63 проложили путь как теоретически [6], так и экспериментально. [7]

Эффекты

Эффекты сильных полей и времени излучения актуальны во многих других областях физики, начиная от так называемого «пузырькового режима» в плазменных кильватерных полях, используемых для ускорения частиц с чрезвычайно высоким градиентом , через астрофизические объекты, такие как магнетары (сильно намагниченные нейтронные звезды ), до интенсивных лазеров и столкновений тяжелых ионов. Концепции, изучаемые в NA63, применяются даже в гравитационном аналоге — излучении Хокинга от черных дыр, — которое еще предстоит обнаружить. Наконец, хотя гораздо более «чистую» среду можно достичь с помощью электронно-лазерных взаимодействий для экспериментального решения проблемы радиационной реакции , лазеры достаточной интенсивности для проведения тщательных исследований все еще ждут нас на несколько лет, а может быть, и десятилетий. Что касается электронно-кристаллических взаимодействий, NA63 уже решила эту проблему экспериментально.

Эффект Унру, возможно, был впервые обнаружен в каналированном излучении высокой энергии, исследованном NA63. [7] [8]

NA63 активные участники сотрудничества

  1. Кристиан Флор Нильсен (представитель): https://orcid.org/0000-0002-8763-780X
  2. Ульрик Уггерхой: http://orcid.org/0000-0002-8229-1512
  3. Тобиас Вистисен: https://orcid.org/0000-0001-8103-9860
  4. Роберт Хольцаппл: http://orcid.org/0000-0003-2726-1131
  5. Антонино Ди Пьяцца: https://orcid.org/0000-0003-1018-0458
  6. Саймон Х. Коннелл : http://orcid.org/0000-0001-6000-7245
  7. Йенс Бо Юстесен: https://orcid.org/0000-0003-2525-6793
  8. Аллан Х. Сёренсен.
  9. Мадс Миддельхеде Лунд https://orcid.org/0000-0001-9859-9506
  10. Марк Брейнер Сёренсен
  11. Софи Яструп Ланнг
  • Экспериментальная запись CERN-NA-063 на INSPIRE-HEP
  • Космические лучи: частицы из космоса: https://home.cern/about/physics/cosmic-rays-particles-outer-space
  • Столкновения тяжелых ионов: https://home.cern/about/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma

Ссылки

  1. ^ "NA63". ЦЕРН. 2015-01-05 . Получено 2018-07-07 .
  2. ^ abc Эсберг, Дж.; Кирсебом, К.; Кнудсен, Х.; Томсен, HD; Уггерхой, Э.; Уггерхой, UI; Сона, П.; Манджаротти, А.; Кетель, Ти Джей; Диздар, А.; Далтон, ММ; Баллестреро, С.; Коннелл, Ш. (2010). «Экспериментальное исследование производства сильного полевого трезубца». Физический обзор D . 82 (7): 072002. Бибкод : 2010PhRvD..82g2002E. doi :10.1103/PhysRevD.82.072002. ISSN  1550-7998.
  3. ^ Uggerhøj, Ulrik I. (2005). «Взаимодействие релятивистских частиц с сильными кристаллическими полями». Reviews of Modern Physics . 77 (4): 1131–1171. Bibcode : 2005RvMP...77.1131U. doi : 10.1103/RevModPhys.77.1131. ISSN  0034-6861.
  4. ^ Андерсен, Кристоффер К.; Андерсен, Сорен Л.; Эсберг, Якоб; Кнудсен, Хельге; Миккельсен, Руне; Уггерхой, Ульрик И.; Сона, Пьетро; Манджаротти, Алессио; Кетел, Тджерд Дж.; Баллестреро, Серджио (2012). «Прямое измерение длины образования фотонов». Письма о физических отзывах . 108 (7): 071802. Бибкод : 2012PhRvL.108g1802A. doi :10.1103/PhysRevLett.108.071802. ISSN  0031-9007. ПМИД  22401193.
  5. ^ Андерсен, КК; Эсберг, Дж.; Кнудсен, Х.; Томсен, HD; Уггерхой, УИ; Сона, П.; Манджиаротти, А.; Кетель, Т.Дж.; Диздар, А.; Баллестреро, С. (2012). «Экспериментальные исследования синхротронного излучения в начале квантового режима». Physical Review D. 86 ( 7): 072001. arXiv : 1206.6577 . Bibcode : 2012PhRvD..86g2001A. doi : 10.1103/PhysRevD.86.072001. ISSN  1550-7998. S2CID  118488702.
  6. ^ Ди Пьяцца, А.; Вистисен, Тобиас Н.; Уггерхой, Ульрик И. (2017). «Исследование классической радиационной реакции с выровненными кристаллами». Physics Letters B. 765 : 1–5. arXiv : 1503.05717 . Bibcode : 2017PhLB..765....1D. doi : 10.1016/j.physletb.2016.10.083. ISSN  0370-2693. S2CID  117037721.
  7. ^ ab Wistisen, Tobias N.; Di Piazza, Antonino; Knudsen, Helge V.; Uggerhøj, Ulrik I. (2018). "Экспериментальное доказательство квантовой радиационной реакции в выровненных кристаллах". Nature Communications . 9 (1): 795. arXiv : 1704.01080 . Bibcode :2018NatCo...9..795W. doi :10.1038/s41467-018-03165-4. ISSN  2041-1723. PMC 5824952 . PMID  29476095. 
  8. ^ Линч, М. Х.; Коэн, Э.; Хадад, И.; Каминер, И. (2021). «Экспериментальное наблюдение термичности, вызванной ускорением». Physical Review D. 104 ( 4): 025015. arXiv : 1903.00043 . Bibcode : 2021PhRvD.104b5015L. doi : 10.1103/PhysRevD.104.025015. S2CID  214623535.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=NA63_experiment&oldid=1252344642"