Ученые из Университета ИТМО впервые доказали, что закрученные электроны — частицы, которые не просто вращаются в ускорителях, а создают своего рода квантовый водоворот, — можно разгонять до огромных скоростей без потери их квантовых свойств. Такие частицы могут быть более эффективными, чем обычные, в электронной и ионной микроскопии высокого разрешения. Кроме того, они позволяют исследовать ранее недоступные квантовые эффекты на ускорителях и более эффективно изучать свойства ядерных сил. Ранее не существовало надежной модели, описывающей ускорение закрученных частиц и условия сохранения их закрученности. Результаты исследования, поддержанных грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

^{Так нейросеть видит электрон с «закрученностью», то есть вращающейся вокруг траектории движения плотностью вероятности. Источник: Дмитрий Карловец}

Когда заряженную частицу — например электрон — помещают в кольцевой ускоритель, она начинает с огромной скоростью вращаться по кругу под действием магнитных полей. Однако есть частицы, которые не просто вращаются вокруг внешнего центра, но и создают своего рода квантовый водоворот — их называют закрученными. Их генерируют в электронных микроскопах для изучения магнитных свойств материалов. Однако до сих пор ученым не удавалось разогнать такие частицы на ускорителе до скоростей, близких к скорости света, и сохранить при этом их «закрученность». Это не позволяло сталкивать «закрученные» частицы в коллайдерах для изучения еще неизвестных квантовых явлений, таких как квантовая когерентность и запутанность, которые потенциально можно будет использовать в технологиях микроскопии, квантовой оптики и ускорительной физики будущего.

Ученые ИТМО предложили математическую модель, которая объясняет, как сохранить «закрученность» частицы на высокой скорости. Авторы провели расчеты, описывающие поведение закрученных электронов в полях ускорителей. При этом исследователи описали два основных процесса, которые могут привести к потере «закрученности».

Во-первых, когда любая заряженная частица летит в электромагнитном поле ускорителя, она теряет энергию, испуская фотоны — частицы света. Ученые полагали, что в случае закрученной частицы вместе с энергией может теряться и «закрученность». Однако расчеты показали, что этого практически не происходит.

Во-вторых, заряженная частица своим магнитным моментом (его можно сравнить с крошечной стрелкой компаса) взаимодействует с полями ускорителя, и это взаимодействие может «сбивать» параметры движения частиц. Согласно расчетам, у закрученных электронов такие «сбои» происходят при энергиях в 147 раз меньших, чем у обычных электронов. Чтобы избежать этого эффекта, ученые предлагают использовать для работы с закрученными частицами не кольцевые, а линейные ускорители, где подобной проблемы нет, или специальные устройства — «Сибирские змейки», изобретенные в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске, которые периодически «поворачивают» магнитный момент частицы и тем самым как бы корректируют ее движение.

«До сих пор не было надежной и общепринятой квантовой модели, описывающей движение закрученной частицы при высоких энергиях. Наши расчеты позволили детально проанализировать различные механизмы потери закрученности и предложить методы ее сохранения при значительном увеличении энергии частицы. В дальнейшем нам предстоит проверить правильность сделанных выводов в экспериментах на ускорителях», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Карловец, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО.