[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出利用LHC和FCC能量下弯曲和直晶体内高能粒子的自旋旋转与去极化，测量寿命短暂的粲夸克和底夸克重子的反常磁矩。研究表明，非通道化轨迹中的自旋去极化提供了一种可行的方法，用于测量此前因快速去通道化而难以探测的负电荷底夸克重子的反常磁矩，通过利用晶体场中的自旋动力学，即使在高洛伦兹因子（γ ≈ 150–300）下也能产生可观测效应。

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.

研究动机与目标

• 研究在LHC和FCC可用的高能条件下，测量寿命短暂粒子（如粲夸克和底夸克重子）反常磁矩的可行性。
• 解决测量负电荷粒子（如底夸克重子）磁矩的挑战，这些粒子在晶体中因快速去通道化而难以测量。
• 探索非通道化粒子轨迹中的自旋去极化，作为替代基于通道化方法的磁矩测量手段。
• 证明晶体场中的自旋动力学——尤其是通过去极化——可用于测量正负电荷短寿命粒子的磁矩。
• 评估基于晶体的自旋调控在高能粒子（包括中性粒子）极化与极化分析中的潜力。

提出的方法

• 利用从量子电动力学和晶体场相互作用推导出的相对论性自旋动力学方程，包括磁矩和四极矩的贡献。
• 应用晶体场中自旋运动方程：$ \frac{d\hat{I}_{i}}{dt} = \epsilon_{ijk}(\Omega_{j}\hat{I}_{k} + \frac{1}{3}e\varphi_{jl}\hat{Q}_{kl}) $，其中 $ \vec{\Omega} $ 依赖于反常磁矩和电场梯度。
• 分析弯曲晶体中的自旋旋转，其单位长度的旋转角在 $ \gamma \gg 1 $ 时与能量无关，从而实现高精度测量。
• 考虑在晶体平面附近、角度 $ \psi > \psi_L $（林达德角）的非通道化运动，由于有效磁矩和四极矩场的作用，产生自旋振荡与去极化。
• 评估去极化效应随散射角和多重散射的变化，尤其针对高 $ \gamma $ 的负电荷粒子，此时去通道化的影响小于通道化情形。
• 提出使用大尺寸晶体系统，其堆垛角散射 $ \chi < 0.4 $ mrad，以增强信号收集并减少背景，实现实验无需单能束流。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC和FCC能量下，弯曲晶体中的自旋旋转是否可用于测量短寿命粲夸克重子（如 $ \Lambda_c^+ $ 和 $ \Xi_c^+ $）的反常磁矩？
• RQ2 为何通道化方法对测量负电荷底夸克重子的反常磁矩无效？是否存在替代机制可克服此限制？
• RQ3 高能粒子在晶体轴或面散射时的自旋去极化是否可作为测量短寿命负电荷粒子反常磁矩的可行替代方法？
• RQ4 粒子在非通道化状态（高于林达德角）的自旋动力学在通过去极化实现磁矩测量中起何作用？
• RQ5 是否可行利用晶体场中自旋振荡测量 $ \Omega^- $-超子的电四极矩？需要何种实验条件？

主要发现

• 在 $ \gamma \gg 1 $ 条件下，弯曲晶体中单位长度的自旋旋转角与粒子能量无关，使得在LHC和FCC能量下可实现反常磁矩的高精度测量。
• 对于 $ \gamma \approx 153 $（如800 GeV/s下产生的 $ \Lambda_c^+ $ 重子），自旋旋转效应可达到数个弧度，可用当前实验技术测量。
• 非通道化轨迹中的自旋去极化为测量负电荷粒子（如底夸克重子）的反常磁矩提供了可行方法，克服了快速去通道化的限制。
• 去极化效应发生在比通道化区域更宽的角度范围（由林达德角决定），增加了可用事例数，提升了统计灵敏度。
• 对于 $ \gamma = 100 $，若每秒有 $ 10^6 $ 个 $ \Omega^- $-超子，发散角 $ \theta_{\text{div}} < 0.4 $ mrad，使用20 cm钨晶体可在 $ 10^{-27} $ cm² 水平测量电四极矩 $ Q $。
• 该方法无需单能束流或高质量单晶；堆垛角散射 $ \chi < 0.4 $ mrad 的多结构晶体已足够，可实现可扩展的实验装置，适用于高统计量测量。