[論文レビュー] Spin rotation and depolarization of high-energy particles in crystals at Hadron Collider (LHC) and Future Circular Collider (FCC) energies and the possibility to measure the anomalous magnetic moments of short-lived particles

V.G. Baryshevsky|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2015

Crystallography and Radiation Phenomena参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LHCおよびFCCエネルギーにおける曲がったおよび直線の結晶内での高エネルギー粒子のスピン回転および偏光消失を用いて、短命なcharmおよびbeautyバリオンの異常磁気モーメントを測定する手法を提案する。スピンの偏光消失は、非チャネル化軌道において、結晶場内のスピンダイナミクスを活用することで、急速なデチャネリングによって従来は測定が困難であった負電荷を帯びたbeautyバリオンの異常磁気モーメントを測定する有効な方法を提供する。これは、高ローレンツ因子（γ ≈ 150–300）でも測定可能な効果を示す。

ABSTRACT

We study the phenomena of spin rotation and depolarization of high-energy particles in crystals in the range of high energies that will be available at Hadron Collider (LHC) and Future Circular Collider (FCC). It is shown that these phenomena can be used to measure the anomalous magnetic moments of short-lived particles in this range of energies. We also demonstrate that the phenomenon of particle spin depolarization in crystals provides a unique possibility of measuring the anomalous magnetic moment of negatively-charged particles (e.g., beauty baryons), for which the channeling effect is hampered due to far more rapid dechanneling as compared to that for positively-charged particles. Channeling of particles in either straight or bent crystals with polarized nuclei could be used for polarization and the analysis thereof of high-energy particles.

研究の動機と目的

• LHCおよびFCCで得られる高エネルギー環境下で、charmおよびbeautyバリオンのような短命粒子の異常磁気モーメントを測定する可能性を調査すること。
• 結晶内での急速なデチャネリングにより、beautyバリオンのような負電荷を帯びた粒子の磁気モーメント測定が困難となるという課題に対処すること。
• チャネリングに基づく手法とは異なり、非チャネル化粒子軌道におけるスピンの偏光消失を、磁気モーメント測定の代替手法として探求すること。
• 結晶場内のスピンダイナミクス、特に偏光消失を介した方法が、正および負の電荷を帯びた短命粒子の両方の磁気モーメント測定に利用可能であることを示すこと。
• 結晶を用いたスピン操作の可能性を評価し、特に中性粒子を含む高エネルギー粒子の偏光化および偏光分析に応用できることを検討すること。

提案手法

• 量子電磁力学および結晶場相互作用に基づく相対論的スピンダイナミクス方程式を用い、磁気モーメントおよび四極子モーメントの寄与を含む。
• 結晶場内でのスピン運動方程式を適用：$ \frac{d\hat{I}_{i}}{dt} = \epsilon_{ijk}(\Omega_{j}\hat{I}_{k} + \frac{1}{3}e\varphi_{jl}\hat{Q}_{kl}) $、ここで$ \vec{\Omega} $ は異常磁気モーメントおよび電場勾配に依存する。
• 曲がった結晶内でのスピン回転を分析し、$ \gamma \gg 1 $ の場合、単位長あたりの回転角がエネルギーに依存しないことから、高精度な測定が可能となる。
• Lindhard角 $ \psi_L $ より大きな角度 $ \psi > \psi_L $ における結晶面付近の非チャネル化運動を検討し、有効な磁気的および四極子的場によりスピン振動および偏光消失が生じることを考慮する。
• 散乱角および多次散乱を関数として偏光消失効果を評価し、特に高 $ \gamma $ の負電荷を帯びた粒子において、デチャネリングがチャネリング状態ほど顕著でない場合に有効であることを示す。
• 信号収集を向上させ、バックグラウンドを低減するため、モザイク角 $ \chi < 0.4 $ mrad の大規模な結晶系を提案。これにより、単色ビームを必要とせず、高統計的測定が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCおよびFCCエネルギー下での曲がった結晶内でのスピン回転は、$ \Lambda_c^+ $ や $ \Xi_c^+ $ のような短命charmバリオンの異常磁気モーメントを測定するために利用可能か？
• RQ2 なぜチャネリング法は、負電荷を帯びたbeautyバリオンの異常磁気モーメント測定に不適切であり、代替メカニズムがこの制限を克服できるか？
• RQ3 結晶軸または結晶面に散乱された高エネルギー粒子のスピン偏光消失は、短命で負電荷を帯びた粒子の異常磁気モーメント測定に実用的な代替手段となり得るか？
• RQ4 Lindhard角を超える非チャネル化状態（上側）における粒子のスピンダイナミクスが、偏光消失を介した磁気モーメント測定をどのように可能にするか？
• RQ5 $ \Omega^- $-ハイパーモンの電気四極子モーメント $ Q $ は、結晶場内でのスピン振動を用いて測定可能か？その実験的条件は何か？

主な発見

• 曲がった結晶内でのスピン回転角（単位長あたり）は $ \gamma \gg 1 $ の場合、粒子エネルギーに依存しない。これにより、LHCおよびFCCエネルギー下での異常磁気モーメントの高精度測定が可能となる。
• $ \gamma \approx 153 $ の場合、800 GeV/sで生成される $ \Lambda_c^+ $ バリオンでは、スピン回転効果が数ラジアンに達し、現在の実験技術で測定可能である。
• 非チャネル化軌道におけるスピンの偏光消失は、急速なデチャネリングによって測定が困難であった負電荷を帯びた粒子（例：beautyバリオン）の異常磁気モーメント測定に有効な手法を提供する。
• 偏光消失効果は、チャネリング領域（Lindhard角で定義）よりも広い角度で発生するため、利用可能なイベント数が増加し、統計的感度が向上する。
• $ \gamma = 100 $ の場合、1秒間に $ 10^6 $ 個の $ \Omega^- $-ハイパーモンを有するビームで、発散角 $ \theta_{\text{div}} < 0.4 $ mrad であれば、20 cmのタングステン結晶を用いて電気四極子モーメント $ Q $ を $ 10^{-27} $ cm² のレベルで測定可能である。
• 本手法は単色ビームや高品質な単結晶を必要とせず、モザイク角 $ \chi < 0.4 $ mrad のモザイク結晶で十分である。これにより、高統計的測定が可能なスケーラブルな実験装置の構築が可能となる。