Спиновая прозрачность как новый подход к прецизионным поляризационным экспериментам для проверки фундаментальных симметрий на коллайдерах и накопителях: теория и эксперимент (этап 3, заключительный)

Темой исследований в 2024 г. были компенсация на основе штатных корректирующих диполей влияния на поляризацию несовершенства структуры Нуклотрона и разработка программы первоочередных экспериментов с поляризованными протонами на Нуклотроне для проведения экспериментальной проверки концепции спиновой прозрачности. Также предметом исследований являлись разработка и численное моделирование эксперимента по поиску ЭДМ дейтронов в коллайдере НИКА с введенными байпасами и разработка концепции тензорной поляриметрии для опытов с тензорно поляризованными дейтронами на детекторе SPD в коллайдере НИКА. В отчетном периоде были достигнуты следующие научные результаты. Предложена система компенсации когерентного влияния на поляризацию несовершенства структуры Нуклотрона на базе штатных корректирующих диполей, в основе которой лежит измерение не только величины мощности целого резонанса, но и направления спинового поля несовершенства структуры синхротрона. Такая компенсация позволит провести первые эксперименты по проверке концепции спиновой прозрачности в Нуклотроне в условиях, когда искажения замкнутой орбиты, вызванной ошибками установки и изготовления его магнитных элементов, сравнимы c отклонениями орбиты, вызванными слабыми полями спинового навигатора. Открывается возможность для проведения прецизионных экспериментов. Компенсация мощности целых спиновых резонансов может быть осуществлена вплоть до предельного уровня, когда мощность резонанса определяется лишь орбитальными эмиттансами пучка, что позволит существенно увеличить время спиновой когерентности в режиме спиновой прозрачности. В этой ситуации реальная структура Нуклотрона с ошибками установки и изготовления его магнитных элементов становится эквивалентна идеальной структуре, в которой отсутствуют указанные ошибки. Разработанная уникальная методика измерения спинового поля несовершенства структуры синхротрона позволит провести запланированные в ОИЯИ первоочередные эксперименты по измерению мощностей целых спиновых резонансов с поляризованными протонами на Нуклотроне. Эти данные необходимы для определения стратегии по сохранению поляризации протонов до 3.5 ГэВ/c в Нуклотроне, что обеспечит быструю инжекцию поляризованных протонов в коллайдер. Они также необходимы для формулирования требования на величины магнитных полей навигаторных соленоидов и штатных корректоров для обеспечения управления поляризацией протонов в области целых резонансов. Станут доступными эксперименты по компенсации когерентной части мощности целого резонанса протонов, адиабатическому захвату поляризации протонов спиновым навигатором и проверке системы спин-флипа на целом резонансе. Предложены адаптированные структуры коллайдера НИКА и Нуклотрона, в которых может быть реализован режим «квази-замороженного спина» для поиска ЭДМ дейтронов. В этом режиме спин направлен все время вдоль импульса за счет использования фильтров Вина. В Нуклотроне увеличение прямых участков для размещения фильтров Вина реализуется за счет увеличения максимального поля в арочных диполях. Для размещения фильтров Вина в коллайдере НИКА предлагается создание обходов, не затрагивая инфраструктуру детекторов MPD и SPD. При этом модуляция частоты прецессии вектора спина фильтрами Вина в обводных участках сделает НИКА широкополосной аксионной антенной. Новая роль обводного участка с расположенными на ней фильтрами Вина в качестве аксионной антенны, помимо поиска ЭДМ протонов и дейтронов, значительно расширит потенциал комплекса НИКА как уникальной платформы для прецизионных тестов базовых симметрий в физике элементарных частиц. Проведенный теоретический анализ возможности тензорной поляриметрии при высокой энергии в геометрии детектора SPD указывает на перспективность наблюдения нейтронов из реакции стриппинга в калориметрическом детекторе нейтронов. С точки зрения чувствительности к тензорной асимметрии оптимальна регистрация нейтронов с поперечными импульсами около 0.5 ГэВ/с, вылетающих под достаточно малыми углами, в области развитой интерференции вкладов S- и D-волновых компонент волновой функции дейтрона. Сигналом тензорной поляризации будет служить квадрупольная асимметрия распределения нейтронов по азимутальному углу. Существенно то, что при низкой энергии тензорная поляризация дейтронов может быть измерена хорошо развитыми методами, основанными на упругом рассеянии или избранных двухчастичных процессах, которые неприменимы при высокой энергии коллайдера НИКА и в геометрии детектора SPD. Так как почти во всей области энергий НИКА ускорение дейтронов происходит без пересечения резонансов, так что вертикальная векторная поляризация сохраняется, а вместе с ней сохраняется и измеренная при низкой энергии тензорная поляризация. В рабочей точке изменение тензорной поляризации может быть описано с помощью матрицы вращения векторной поляризации. Опыт анализа спектров протонов из стрипинга дейтронов умеренных энергий показал важность эффектов двукратного рассеяния в области S-D-интерференции. Дополнительным усложнением при энергиях коллайдера НИКА является усиление двукратного рассеянии неупругими поправками Грибова. Если спиновые эффекты в упругом рассеянии убывают при высоких энергиях, то спин-зависящие неупругие поправки с ростом энергии не убывают и даже могут расти. Здесь особенно интересна сильно зависящая от тензорной поляризации неупругая поправка за счет взаимодействия с пионным облаком дейтронов. Все пункты плана работ за отчетный период выполнены в полном объеме и опубликованы в работах: [1] Ю.Н. Филатов и др. «Компенсация влияния несовершенства структуры Нуклотрона/ОИЯИ на поляризацию протонов в области целого спинового резонанса (миниобзор)», Письма в ЖЭТФ, том 120, вып. 10, с. 810 – 819, (2024) [2] A. Melnikov et al. «Quasi-Frozen Spin Concept at NICA for EDM Search and Its Matrix Analysis», Physics of Atomic Nuclei, 87(4), 447–450, (2024) [3] Yu. Senichev et al. «NICA Facilities for the Search for EDM Light Nuclei», Physics of Atomic Nuclei, 87(4), 436–441 (2024) [4] Yu.V. Senichev et al. «Quasi-Frozen Spin Structures at the NICA Collider as an Option to Search for the Electric Dipole Moment of Deuterons and Axion Dark Matter», PEPAN Letters, 21(3), 261–265 (2024) [5] Yu.V. Senichev et al. «Magneto-Optical Structure of the Nuclotron for Searching for the Electric Dipole Moment of Light Nuclei» PEPAN Letters, 2024, 21(3), 266–270 (2024) [6] N.N. Nikolaev et al. «Spin decoherence and off-resonance behavior of radio-frequency-driven spin rotations in storage rings», PRAB, 27, 111002 (2024) [7] N.N. Nikolaev et al., «Alternating Spin Polarity Bunches in Storage Rings», Physics of Atomic Nuclei, Vol. 87, No. 4, pp. 442–446 (2024)