[论文解读] Birefringence effect in the nuclear pseudoelectric field of matter and an external electric field for a deuteron (nucleus) rotating in a storage ring

V.G. Baryshevsky|ArXiv.org|Apr 8, 2005

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文研究了氘核在存储环中旋转时，其核赝电场与外电场共同作用下的双折射效应，表明该效应由于氘核的张量电极化率，会引发自旋相关的振荡与旋转。关键贡献在于推导出自旋旋转与二色性信号，其与正向散射振幅的虚部和实部分量成正比，从而可通过极化气体靶测量氘核的电极化率以及P、T奇相互作用。

ABSTRACT

The birefringence effect in the nuclear pseudoelectric field of matter and an external electric field for a particle (deuteron, nucleus) moving in a storage ring is discussed. The influence of the birefringence effect on the EDM measurement experiments is considered. The attention is drawn to the possibility to measure the spin-dependent amplitude of the elastic coherent scattering of a deuteron by a nucleus, the electric polarizability of a deuteron (nucleus). Using a gas target with polarized nuclei also allows to study P-,T-odd interactions.

研究动机与目标

• 分析氘核在存储环中核赝电场与外电场作用下的双折射效应。
• 评估该双折射效应对电偶极矩（EDM）测量实验可能引入的系统误差影响。
• 探索通过极化气体靶测量弹性相干氘核-核散射自旋依赖振幅的可能性。
• 研究极化气体靶在探测P、T奇相互作用中的作用。

提出的方法

• 基于关系式 $ N = 1 + \frac{2\pi\delta}{k^2}f(0) $，利用零角度相干散射振幅推导介质中的折射率与有效势能。
• 通过变换至靶束的静止参考系，将折射率形式化推广至存储环中运动的束团。
• 应用洛伦兹不变相位考虑，推导出介质中的有效势能 $ V = -\frac{2\pi\hbar^2}{m}\delta f(0) $。
• 利用光学定理 $ \Im f = \frac{k}{4\pi}\sigma $，将散射振幅的虚部与总截面关联。
• 通过自旋态 $ m = \pm 1 $ 与 $ m = 0 $ 之间矩阵元的差异，推导出自旋旋转与二色性信号，使用包含S波与D波分量的氘核波函数。
• 利用氘核的张量电极化率评估自旋振荡幅度，表达式为积分 $ \mathrm{D} = \int_0^\infty \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \frac{u(r)W(r)}{r^2} - \frac{1}{4} \frac{W^2(r)}{r^2} \right) dr $。

实验结果

研究问题

• RQ1 核赝电场中的双折射效应如何影响存储环中氘核的自旋动力学？
• RQ2 该双折射效应在氘核电偶极矩（EDM）测量中会引入多大程度的系统误差？
• RQ3 能否通过极化气体靶中的双折射效应测量前向弹性散射振幅的自旋依赖部分？
• RQ4 氘核的张量电极化率在外部电场中生成自旋旋转与二色性信号中起何种作用？
• RQ5 氘-质子与氘-中子散射振幅的实部与虚部如何共同贡献于观测到的自旋振荡效应？

主要发现

• 由于双折射引起的自旋旋转角与 $ \Im\{f_p(0)f_n(0)\} $ 成正比，系数包含氘核的D波结构与积分 $ \mathrm{D} $，使得在高精度实验中可测量该信号。
• 自旋旋转振幅的虚部为 $ \Im d_1 = \frac{3}{2\pi k} \Re\{f_1(0)f_2(0)\} \mathrm{D} $，直接将该效应与散射振幅的实部关联。
• 自旋旋转振幅的实部为 $ \Re d_1 = -\frac{3}{2\pi^2} \left( \Re f_p(0)\sigma_n + \Re f_n(0)\sigma_p \right) \mathrm{D} $，显示出对总截面与散射振幅的依赖性。
• 当 $ (g-2) $ 进动被抑制时，双折射效应随时间线性增长，使其在EDM实验中成为主导信号。
• 使用极化气体靶可借助自旋依赖散射振幅研究P、T奇相互作用，为标准模型之外的新物理提供新探测手段。
• 数值估算表明，当氘核能量低于5 GeV时，自旋旋转与二色性信号显著，且在氢靶中可观测到效应，如图13与14所示。