[论文解读] Polarization Buildup of Stored Protons and Antiprotons: Filtex Result and Implications for Pax at Fair

N. N. Nikolaev, F. F. Pavlov|ArXiv.org|Jan 22, 2006

Atomic and Molecular Physics参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文为储存环中的自旋过滤构建了一个量子力学框架，表明储存质子和反质子的极化积累主要由极化内部氢靶的透射效应所主导，而束流内自旋翻转散射的贡献可忽略不计。FILTEX实验测得的23 MeV质子极化速率为每小时0.0124，与72.5 ± 5.8 mb的极化截面一致，支持在FAIR的PAX实验中通过自旋过滤实现反质子15–25%极化的可行性。

ABSTRACT

The spin filtering by a multiple passage of a stored beam through a polarized internal gas target is a unique possibility of polarizing high luminosity beam of antiprotons to a high degree of polarization. Apart from the polarization by the spin-dependent transmission, a unique geometrical feature of spin filtering in storage rings is a scattering of stored particles within the ring \cite{Meyer}. A rotation of the spin in the scattering process affects the polarization buildup. We report here a fully quantum-mechanical evolution equation for the spin-density matrix of a stored beam which incorporates the scattering within the ring. We show how dramatically the interplay of the transmission and scattering within the ring changes from polarized electrons to polarized protons in the atomic target. After discussions of the FILTEX results on filtering of stored protons \cite{FILTEX}, we comment on the strategy of spin filtering of antiprotons for the PAX experiment at GSI FAIR \cite{PAX-TP}.

研究动机与目标

• 为与极化内部气体靶相互作用的储存束流的自旋密度矩阵建立一个量子力学演化方程。
• 分析束流内自旋依赖的透射与散射在多次通过靶时的相互作用。
• 评估在FAIR的PAX实验中，对极化反质子实施自旋过滤的可行性。
• 将理论预测与FILTEX实验测得的质子极化积累结果进行协调。
• 评估自旋翻转散射与电子极化转移在此过滤过程中的作用，表明其存在抵消效应。

提出的方法

• 推导一个包含多次通过极化内部靶时束流内透射与散射的自旋密度矩阵的量子力学演化方程。
• 引入束流自旋在靶中极化原子产生的赝磁场中的进动。
• 将该形式化方法应用于FILTEX实验，使用考虑CNI修正的核质子-质子弹性散射振幅，超出环的接受角范围。
• 利用SAID-SP05数据库和Nijmegen相移计算理论极化截面。
• 将重新分析的FILTEX结果（σP = 72.5 ± 5.8 mb）与理论预测（约86 mb）进行比较，并评估一致性。
• 证明由于强子自旋翻转振幅与主导的库仑振幅之间干涉项的消失，自旋翻转散射的贡献可忽略不计。

实验结果

研究问题

• RQ1 束流内散射在质子多次通过极化内部靶时如何影响极化积累？
• RQ2 自旋翻转散射与电子诱导透射效应在自旋过滤中的净极化中分别贡献多大程度？
• RQ3 储存质子的极化积累是否主要由透射效应主导，而非束流内散射效应？
• RQ4 FILTEX实验测得的极化速率能否被自旋过滤的理论模型一致解释？
• RQ5 在FAIR的PAX实验中，为实现15–25%的反质子极化，需要多大的极化截面？

主要发现

• 从实际应用角度而言，储存质子的极化积累完全由透射效应控制，自旋翻转散射的贡献可忽略不计，原因在于其与电子诱导透射效应的抵消。
• 重新分析的FILTEX结果得出极化截面为σP = 72.5 ± 5.8 mb，在误差范围内与理论预期值（约86 mb）一致。
• CNI修正后的核质子-质子弹性散射振幅在环接受角范围之外占主导地位，其极化积累由Meyer公式描述。
• 由于强子自旋翻转振幅与主导库仑振幅之间干涉项的消失，束流内自旋翻转散射对极化截面的贡献可忽略不计。
• 理论模型预测，在FAIR的大接受角反质子极化环（APR）中，通过自旋过滤可实现15–25%的反质子束流极化。
• 理论界普遍认为，电子诱导极化转移及其与透射效应的抵消是理解净过滤效率的关键。