КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-72-20013

НазваниеКвантовая динамика пучков с фазами и её приложения

РуководительКарловец Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020  , продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-602 - Квантовая теория поля, квантовая механика

Ключевые словаКвантовая теория рассеяния, волновой пакет, фаза, орбитальный угловой момент, закрученные фотоны, закрученные электроны, адрон, функции Вигнера, квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, атомная физика, излучение, кристалл, лазер, запутанность

Код ГРНТИ29.05.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Многочисленные задачи квантовой информатики и оптики, физики наноматериалов и поверхностей с заданными свойствами, атомной спектроскопии и биологии требуют использования лазерных пучков с орбитальным угловым моментом, когерентных состояний, двух-фотонных квантовых суперпозиций (т.н. “кот Шрёдингера”) и др. “Закрученные” фотоны с орбитальным моментом уже позволили существенно повысить размерность квантового запутывания пар, привели к созданию нового типа т.н. оптических пинцетов, успешно применяемых в биологии и медицине. Генерация электронов и нейтронов в подобных квантовых состояниях за последние 7 лет и фокусировка первых в пятно размером 1 Ангстрем в 2011 г. позволила существенно улучшить качество анализа магнитных свойств наноматериалов, открыла новые возможности для атомной спектроскопии и электронной микроскопии с субнанометровым разрешением. Всего несколько месяцев назад получены электроны с орбитальным моментом около 1000ħ; их магнитный момент примерно в 1000 раз превышает магнетон Бора, что делает такие электроны уникальным инструментом анализа магнитных свойств поверхностей. Помимо закрученных частиц в ряде лабораторий были сгенерированы и другие пучки с настраиваемыми характеристиками (основную роль играет фаза волновой функции) и разнообразными приложениями: оптические и электронные пучки Эйри (последние получены 4 года назад) и их различные обобщения. Всё это позволяет говорить о Новой эпохе в квантовой физике, когда создаваемые состояния частиц уже не могут быть описаны плоскими волнами или даже гауссовыми пучками. Хотя соответствующие решения волновых уравнений с фазами волновых функций хорошо известны, применение таких пучков в физических приложениях упирается в отсутствие развитой квантовой теории рассеяния нанометровых и субнанометровых волновых пакетов, их излучения во внешних электромагнитных полях и средах. Привычные “плосковолновые” модели неприменимы в режиме, когда размер пакета соизмерим с радиусом атома водорода. Именно с этим ограничением в атомной физике недавно столкнулся целый ряд научных групп. Такие пучки с фазами оказываются более чувствительными к внутренним степеням свободы атомов и молекул (и, возможно, адронов), что делает их потенциально полезными для индустрии наноматериалов с заданными свойствами (где закрученные электроны уже применяются), для целей микроскопии с субнанометровым разрешением, атомной и ядерной физики. Данный проект направлен на исследование физических процессов с нанометровыми и субнанометровыми пучками частиц с фазами волновых функций и на разработку предложений по применению таких пучков в фундаментальных и прикладных исследованиях. В рамках проекта будет развита квантовая теория рассеяния волновых пакетов с фазами за пределами приближения плоских волн, исследованы процессы рассеяния и аннигиляции таких пучков в различных моделях теории поля, прежде всего в квантовой электродинамике и хромодинамике, будут изучены процессы излучения во внешних электромагнитных полях, в т.ч. в полях мощных лазеров, и в средах с дисперсией, в том числе в кристаллах. Особое внимание будет уделено физическим процессам в “ультра-квантовом” режиме, когда функции Вигнера частиц перестают быть всюду положительными, что приводит к усилению чисто квантовых эффектов нелокальности и запутанности, делая такие пучки важным инструментом современной квантовой информатики, физики наноматериалов, атомной и ядерной физики и т.д. Результаты детального исследования процессов рассеяния и излучения “неклассических” пакетов позволят пролить новый свет на фундаментальные проблемы современной физики (например, проблемы спина и “радиуса” протона), дадут новые инструменты анализа строения вещества, позволят предложить и разработать ряд актуальных приложений таких пучков. Актуальность: За последнее десятилетие произошел технологический прорыв в получении новых пучков безмассовых и массивных частиц (фотонов, электронов, нейтронов) с нетривиальной топологией волнового фронта и фазами волновых функций: например, в 2011 г. электроны с орбитальным моментом были впервые сфокусированы в пятно размером 0.1 нм. Однако в этой области сложилась непривычная ситуация: эксперимент ушел далеко вперед по сравнению с теорией. Многочисленные потенциальные приложения таких пучков как в фундаментальных (атомная и ядерная физика), так и в прикладных исследованиях (нанотехнологии, физика новых материалов, физика ускорителей, биология, медицина и др.) активно обсуждаются научным сообществом, но упираются в отсутствие теории рассеяния и излучения нанометровых и субнанометровых волновых пакетов, поскольку традиционные модели развиты в приближении плоских волн. Такая теория крайне необходима для разработки практических применений этих новых “ультра-квантовых” состояний света и материи. Исследование фундаментальных физических процессов с такими пучками создаст предпосылки для развития соответствующих технологий. Научная новизна: Квантовая теория рассеяния и излучения нанометровых и субнанометровых пучков с фазами существенно расширит наше понимание фундаментальных физических процессов на атомном и субатомном уровне. Ее использование позволит построить модели взаимодействия частиц вне рамок плосковолнового и квазиклассического приближений. Без таких моделей невозможно эффективное применение новых хорошо сфокусированных “ультра-квантовых” состояний света и материи в фундаментальных и прикладных исследованиях. Данная теория также позволит разработать предложения по использованию пучков с заданными свойствами в качестве новых инструментов диагностики пучков ускорителей и поверхностей материалов с субнанометровым разрешением, создаст предпосылки для соответствующего развития индустрии новых наноматериалов, молекулярной и атомной спектроскопии, квантовой оптики, квантовой информатики и др.

Ожидаемые результаты
1. Новые квантовые модели рассеяния нанометровых и субнанометровых пучков бозонов (включая фотоны) и фермионов с фазами волновых функций на атомах, на других пучках, на ограниченных мишенях вне приближения плоских волн. Построение таких моделей приведет к существенному прогрессу в описании фундаментальных процессов на атомном и субатомном уровнях, позволит разработать новые методики исследования структуры вещества, в том числе в атомной и молекулярной спектроскопии. Они также позволят эффективно использовать субнанометровые пучки для анализа поверхностей наноматериалов, для повышения информационной ёмкости квантовых систем, для разработки новых технологий получения пучков с заданными свойствами в физике частиц и ускорителей, для медицинских и биологических целей: например, для микро- и нано-манипулирования отдельными молекулами и атомами, в томографии и др. 2. Новые модели рассеяния и излучения хорошо сфокусированных пакетов в “ультра-квантовом” режиме, когда их функции Вигнера не являются всюду положительными, и эффекты квантовой когерентности, нелокальности и запутанности играют большую роль. Такие модели позволят разработать новые области применения квантовых пучков и их когерентных суперпозиций с новыми степенями свободы (орбитальный момент, фаза Эйри и др.) в квантовой оптике и информатике, атомной и ядерной физике, электронной микроскопии, индустрии наноматериалов и т.д. Они также позволят предложить ряд экспериментов по проверке построенных моделей на существующих установках: лазерах, электронных микроскопах, ускорителях частиц. Данные модели и соответствующие эксперименты обеспечат лидирующие позиции российских ученых в области исследования и применения новых ультра-квантовых состояний света и материи. 3. Новые данные о влиянии фазы волновой функции пакетов и фазы амплитуды (кулоновской, адронной) на процессы рассеяния и излучения за пределами приближения плоских волн. Ответ на вопрос о том, какие физические процессы наиболее чувствительны к фазе волновой функции начальных состояний, и можно ли использовать такие пакеты для анализа внутренней структуры адронов, проблемы спина и “радиуса” протона, мюонных атомов и т.д. Физика процессов, где фазы пучков и амплитуд играют большую роль, может стать новым важным разделом атомной физики, физики частиц и ядерной физики. Разработка соответствующих моделей будет способствовать предложению новых экспериментов с такими пучками в адронной физике и формированию нового направления исследований структуры адронов и проверке различных эффективных моделей. Скорее всего для осуществления таких экспериментов будет достаточно использования адронных пучков относительно низких энергий, доступных в лабораториях российских учреждений. 4. Новые модели излучения сфокусированных пучков заряженных бозонов и фермионов с фазами во внешних заданных условиях, в т.ч. в сильных электромагнитных полях и средах. Такие модели позволят адекватно описывать физические процессы в полях существующих и строящихся сверхмощных лазеров, таких как Extreme Light Infrastructure в Европе, XCELS в Нижнем Новгороде и др. Они также позволят построить реальную физическую картину динамики квантовых процессов в средах и в поле сильно сфокусированного лазера высокой интенсивности, необходимую для описания соответствующих экспериментов и многочисленных приложений таких лазеров в ядерной физике, физике наноматериалов, медицине и др. Эксперименты по генерации электромагнитного излучения (например, Вавилова-Черенкова) такими частицами могут быть поставлены на пучках ускорителей относительно низких энергий: электронных микроскопов на несколько сотен кэВ, микротронов на несколько МэВ и т.д., доступных во многих лабораториях России. Измерение характеристик излучения таких частиц может стать новым инструментом диагностики параметров пучков. 5. Новые данные о возможности генерации рентгеновского излучения, обладающего орбитальным угловым моментом, электронами на энергию 155-855 МэВ при каналировании в кристаллах (Si, C, W) для реальных параметров существующих ускорителей (INFN LNF, SAGA-LS, MAMI). Исследование решений классических уравнений движения и сравнение с квантовыми моделями, определение параметров возможного эксперимента (толщина кристалла, угол влёта электронов в кристалл, энергия начальных электронов), обеспечивающих максимальный орбитальный момент излучения. Анализ вклада закрученных фотонов в общий спектр излучения при каналировании. В зависимости от результатов расчетов: предложение соответствующих экспериментов на существующих установках. 6. Новые данные о рассеянии света на мощном лазерном пучке с ненулевым орбитальным моментом (т.н. пучки Гаусса-Лагерра) с использованием разложения однопетлевого эффективного действия Гейзенберга-Эйлера по степеням производных. Эти результаты могут быть применимы для случая медленно меняющихся полей, чей масштаб изменения значительно превышает комптоновскую длину волны электрона, и будут использованы в исследовании динамики, а также изменения поляризации фотонов при их прохождении через лазерный импульс высокой интенсивности для пучков Гаусса-Лагерра. Построенные модели могут оказаться полезными при проведении экспериментов на сфокусированных пучках современных сверхмощных лазеров типа Extreme Light Infrastructure. 7. Описание динамики ультрарелятивистских локализованных волновых пакетов заряженных частиц в кристаллах с учетом реакции излучения (многофотонное излучение). Последовательный учет эффектов деканалирования в толстых кристаллах при энергиях электронов (позитронов) порядка 100 МэВ и выше. На сегодняшний день удовлетворительной теории этих явлений, хорошо согласующейся с экспериментальными данными, нет даже в том диапазоне энергий частиц, где применима (квази)классическая теория (100 Мэв – 5 ГэВ). Развитие данной теории позволит описать имеющиеся экспериментальные данные по каналированию частиц в толстых кристаллах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Развита модель релятивистского локализованного волнового пакета с орбитальным угловым моментом для бозонов и фермионов, являющаяся точным решением уравнений Клейна-Гордона и Дирака соответственно, за пределами параксиального приближения, когда размер пакета может быть соизмерим с комптоновской длиной волны массивной частицы. Найдены поправки к таким наблюдаемым как средняя энергия, средний импульс, магнитный момент, сечение рассеяния и др., обусловленные отказом от параксиального приближения, т.е. в режиме сильной фокусировки. Обнаружено, что поправки к параксиальному приближению линейно усиливаются при больших орбитальных угловых моментах. Данное усиление не имеет место для обычных гауссовых пучков или даже для пакетов с аналитической фазой волновой функции (например, пучки Эйри), что делает "закрученные" частицы с орбитальным моментом уникальным инструментом анализа непараксиальных эффектов в квантовой физике, атомной физике, физике высоких энергий и даже в ядерной физике. Ранее было указано, для использования таких "закрученных" электронов в физике адронов (например, при решении проблемы спина протона) необходима фокусировка электронных пучков в пятно, практически равное комптоновской длине волны. Наши результаты показывают, что для достижения поперечных импульсов, характерных для адронного масштаба (~10-100 МэВ) можно не только фокусировать пучки электронов, но и увеличивать их орбитальный момент, что технически значительно проще. Полученные непараксиальные пакеты позволили сделать количественные предсказания величины соответствующих эффектов, в частности спин-орбитального взаимодействия, а также позволили указать пределы применимости недавно предложенных "пакетных" решений (S.M. Barnett, Relativistic electron vortices, Phys. Rev. Lett. 118, 114802 (2017); I. Bialynicki-Birula, Z. Bialynicka-Birula, Relativistic electron wave packets carrying angular momentum, Phys. Rev. Lett. 118, 114801 (2017)), страдающих многими недостатками. Проведено сравнение полученных непараксиальных решений с известными параксиальными пучками Гаусса-Лаггера и проанализированы различия массивного и безмассового случаев. 2. В рамках подхода Иваненко-Соколова произведены расчеты величины среднего орбитального углового момента излучения при плоскостном и аксиальном каналировании электронов с энергией 0.1–2.5 ГэВ. Показано, что для <110> аксиального каналирования 255 МэВ электронов в кристалле Si средний орбитальный угловой момент возникающего излучения составляет до 6 ħ в расчёте на один вышедший фотон. Из полученной оценки следует, что пучок 255 МэВ-ных электронов, состоящий из 10^10 частиц в банче, и частотой повторения 1 Гц, позволит создать излучение с полным угловым моментом около 10^8 ħ в секунду. Получена общая формула для вероятности излучения закрученного фотона классическим током. Построена общая теория излучения закрученных фотонов ондуляторами и виглерами. В частных случаях предсказания разработанной теории согласуются с известными в литературе теоретическими и экспериментальными результатами (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.97.033837). 3. На основе решения уравнения Фоккера Планка исследована эволюция плотности распределения заряженных каналированных пучков в кристалле SI, как функция глубины проникновения и поперечной энергии. Вычислена длина деканалирования 270 и 855 МэВ электронов при (100), (110) и (111) каналировании в кристалле SI. Разработана модель для исследования спектров интенсивности каналированных заряженных электронных пучков в кристалле, которая, включает коллимацию фотонного пучка, использование реальных начальных распределений параметров пучка и эволюцию пучка в поперечном направлении к плоскостям каналирования. Проведено сравнение спектров излучения 270 и 855 МэВ-ных электронов при (100), (110) и (111) каналировании в SI с экспериментальными данными МАИНЦ. Полученные результаты для длины деканалирования согласуются с нижней границей экспериментальных данных, форма спектров излучения как же имеет неплохое согласие с полученной на эксперименте. 4. Получено общее выражение для тензора поляризации фотонов в поле лазерного пучка Гаусса-Лагерра и Гаусса-Эрмита. Приведен анализ применимости полученных выражений для реальных параметров лазерного поля, используемого в современных экспериментах. Информация о проекте размещена на англоязычной странице Физического факультета Томского государственного университета: https://phys.tsu.ru/~vvm/en/rtmf.htm Также часть результатов проекта были представлены С.В. Абдрашитовым на популярной лекции "Раскручиваем свет на новые открытия" для школьников, проведенной 26.04.2018 в рамках проекта ТГУ "Университет открытий": http://abiturient.tsu.ru/news/24963/

 

Публикации

1. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Probability of radiation of twisted photons by classical currents PHYSICAL REVIEW A, Vol. 97, pp. 033837 (год публикации - 2018).

2. Карбштайн Ф., Мосман Е.А. Photon polarization tensor in circularly polarized Hermite- and Laguerre-Gaussian beams Modern Physics Letters A, Vol. 33, Nos. 7 & 8, pp. 1850044 (год публикации - 2018).

3. Карбштайн Ф., Мосман Е.А. Photon polarization tensor in pulsed Hermite- and Laguerre-Gaussian beams PHYSICAL REVIEW D, Vol. 96, pp. 116004-1 --116004-9 (год публикации - 2017).

4. Карловец Д.В. Quantum scattering beyond the plane-wave approximation Journal of Physics: Conference Series, vol. 938, pp. 012031 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Развита релятивистская квантовая теория рассеяния за пределами приближения плоских волн и получены формулы для обобщенного сечения рассеяния негауссовых пакетов при центральном столкновении, применимые в том числе для «закрученных» частиц с орбитальным моментом импульса в начальном состоянии и для широкого класса моделей теории поля. Показано, что в случае наличия фазовых вортексов у начальных частиц сечение рассеяния не совпадает с таковым в приближении плоских волн даже в древесном приближении. Это проявляется прежде всего в общем свойстве смещения максимума сечения упругого рассеяния (например, в реакции e^-e^-→ e^-e^-, где один начальный электрон является «закрученным») из области малых углов в область сравнительно больших углов, определяемых средним модулем поперечного импульса «закрученного» электрона. Данное свойство, ранее обнаруженное при рассеянии таких электронов на атомах, довольно универсально и проявляется в том числе при глубоко неупругом рассеянии «закрученного» электрона на протоне. 2. Теоретически предсказано, что негауссовы пакеты заряженных частиц, в том числе «закрученные» электроны с орбитальным угловым моментом, пучки Эйри, когерентные суперпозиции пакетов (т.н. состояния «кота Шрёдингера») и т.д., могут обладать внутренними мультипольными моментами, связанными исключительно с негауссовостью пакета, если эти моменты разрешены соображениями P- и T-симметрии. Данные моменты вычислены для широкого класса пакетов и показано, что в то время как электрический дипольный момент электрона равен нулю на древесном уровне, магнитный дипольный момент и электрический квадрупольный момент негауссовых электронных пакетов, уже генерируемых на современных установках, могут быть вполне большими и соизмеримыми с соответствующими моментами некоторых атомов и молекул. 3. Найдены собственные электромагнитные поля, генерируемые «закрученным» электроном, в виде мультипольного разложения с точностью до электрического квадрупольного члена. Показано, что последний возникает лишь за пределами паракисального приближения и растет со временем по мере того как пакет движется и расплывается. Проанализирована возможность экспериментальной регистрации такого вклада, отсутствующего для обычного гауссового пакета, и его возможное влияние на спектр электромагнитного излучения электрона. Показано, что соответствующий непараксиальный эффект проявляется в асимметрии магнитного поля электрона в системе покоя и может быть измерен на пучках уже существующих установок с поперечными размерами пучков порядка 1 нм – 1 мкм. 4. Найдена инфракрасная асимптотика вероятности излучения закрученных фотонов в произвольном процессе КЭД. Установлены правила отбора для среднего числа закрученных фотонов, генерируемых классическими токами. Найдено общее выражение для верхней границы величины полного углового момента закрученных фотонов, создаваемых классическими токами. Найдены основные характеристики краевого излучения: дифференциальная асимметрия, средняя проекция полного углового момента излучения и проекция полного углового момента на один фотон. Показано, что краевое излучение может быть использовано в качестве источника закрученных фотонов с большим угловым моментом. Кроме того, это излучение может быть использовано в качестве мощного источника когерентного излучения закрученных фотонов в инфракрасной области, в частности, в ТГц части спектра. 5. Исследованы особенности излучения закрученных фотонов аксиально-симметричными пучками заряженных частиц при движении в электромагнитных полях с учетом профиля пучка. Впервые аналитически и численно исследованы интерференционные множители для когерентной и некогерентной частей излучения закрученных фотонов. Подробно рассмотрены равномерные, гауссовские и экспоненциальные аксиально-симметричные профили пучка. Разработана процедура усреднения вероятности излучения закрученных фотонов, генерируемых аксиально-симметричными пучками заряженных частиц при каналировании в монокристаллах и кристаллических ондуляторах. Получены величина проекции полного углового момента на один фотон и асимметрия плотности вероятности среднего количества закрученных фотонов по орбитальному угловому моменту. 6. Проведено исследование процесса рассеяния фотонов из пробного рентгеновского импульсного пучка на мощном оптическом импульсном лазере для ряда выделенных высших мод Гаусса-Лагерра. Получены аналитические выражения и численные оценки для эффекта вакуумного двулучепреломления для данной схемы эксперимента с учетом чистоты поляризации пробного пучка.

 

Публикации

1. - Электрон может проявлять волновые свойства даже при высоких энергиях Газета.RU, - (год публикации - ).

2. - Физики из России узнали, как превратить электрон в волну внутри коллайдера РИА Новости, - (год публикации - ).

3. - Расчеты физика ТГУ позволят запустить в ускорители новые частицы TSU.RU, - (год публикации - ).

4. - Электрон может проявлять волновые свойства даже при высоких энергиях Индикатор, - (год публикации - ).

5. - Расчеты физика ТГУ позволят запустить новые частицы в ускорители Новости сибирской науки, - (год публикации - ).

6. - Томский физик обосновал сохранение свойств электронов при высоких энергиях REGNUM, - (год публикации - ).

7. Абдрашитов С.В., Богданов О.В., Казинский П.О., Тухфатуллин Т.А. Orbital angular momentum of channeling radiation from relativistic electrons in thin Si crystal Physics Letters A, Volume 382, Issues 42–43, Pages 3141-3145 (год публикации - 2018).

8. Карловец Д.В. Relativistic vortex electrons: Paraxial versus nonparaxial regimes Physical Review A, vol. 98, pp. 012137-1 -- 012137-11 (год публикации - 2018).

9. Карловец Д.В. Dynamical enhancement of nonparaxial effects in the electromagnetic field of a vortex electron PHYSICAL REVIEW A, Vol. 99, pp. 043824-1 -- 043824-7 (год публикации - 2019).

10. Карловец Д.В., Жевлаков А.С. Intrinsic multipole moments of non-Gaussian wave packets PHYSICAL REVIEW A, Vol. 99, pp. 022103-1 -- 022103-6 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. На основе развитой ранее квантовой теории рассеяния с волновыми пакетами сделан общий анализ эффектов, возникающих в базовых процессах КЭД и пертурбативной КХД благодаря негауссовому волновому фронту сталкивающихся пакетов и конечной поперечной длине когерентности, что в частном случае связано с наличием орбитального момента импульса частиц относительно оси столкновения. Получены первые неисчезающие поправки к сечению в приближении плоских волн в s- и t-каналах, возникающие благодаря конечной длине когерентности пакетов. Показано, что для нанометровых и субнанометровых пакетов современных ускорителей и электронных микроскопов данные поправки пренебрежимо малы при энергиях много больше 1 ГэВ, тогда как для процессов с участием как минимум одного адрона поправки за счёт конечной пространственной когерентности могут оказаться того же порядка, что и радиационные поправки. Это происходит когда кинетическая энергия сталкивающихся частиц меньше 1 ГэВ и особенно если один из адронов является закрученным и обладает большим орбитальным моментом: l ~ 10^3 и выше (в единицах постоянной Планка). 2. Разработана модель для расчёта швингеровского рассеяния холодных закрученных нейтронов и их когерентных суперпозиций на ядерных мишенях для реалистичных параметров. Предсказано появление зависимости сечения для локализованной мишени от спиральности нейтрона и действительной части адронной амплитуды уже в борновском приближении, что может использоваться для анализа моделей ядерных сил при низких энергиях. Предложенный метод является дополнительным к уже имеющимся (нейтронная интерферометрия) и предсказывает соответствующую спиральную асимметрию рассеяния вплоть до десятков процентов, что значительно больше, чем уже достигнутая чувствительность нейтронных экспериментов. Таким образом использование закрученных нейтронов представляется довольно перспективным для целей нейтронной оптики и ядерной физики низких энергий на уже имеющихся и будущих установках с нейтронами с длиной волны от 0.1 нм до 100 нм. 3. Разработана модель для расчёта излучения Смита-Парселла в диапазоне длин волн от ТГц до оптики, генерируемого закрученным электронным пакетом с орбитальным моментом импульса и внутренними магнитным дипольным и электрическим квадрупольным моментами. Показано, что квадрупольный вклад приводит к нелинейному росту интенсивности излучения в зависимости от числа периодов решетки, что ограничивает область применимости стандартных квазиклассических методов расчета излучения применительно к закрученным частицам с большим орбитальным моментом, а также к другим частицам в необычных квантовых состояниях. Также показано, что заметное влияние пространственной когерентности пакета и его орбитального момента имеет место только для нерелятивистских и умерено релятивистских частиц и для больших орбитальных моментов: l ~ 1000 (в единицах постоянной Планка) и выше. 4. Получены аналитические выражения для вероятности обнаружения фотона с угловым моментом, сгенерированного холодным релятивистским пучком заряженных частиц, когда пренебрегается взаимодействием между частицами. Показано, что когерентный и некогерентный вклады зависят от соответствующих форм-факторов пучков. Исследованы свойства этих интерференционных множителей: в частности, мы обобщили правила сумм для некогерентного излучения, исследованные на предыдущем этапе Проекта (аксиально-симметричные пучки). Исследовано излучение холодных релятивистских пучков при движении в дисперсионной изотропной среде -- краевое излучение, переходное излучение и излучение Вавилова-Черенкова, а также излучение в ондуляторах и вигглерах. Исследована генерация закрученных фотонов спиральными пучками и получено правило сложения для длинных пучков, которое утверждает, что спектр закрученных фотонов по проекции полного углового момента m сдвинут на n, где n - номер гармоники когерентного излучения. 5. В квазиклассическом приближении получена общая формула для вероятности генерации закрученного фотона скалярными и дираковскими ультрарелятивистскими частицами, движущимися в электромагнитном поле общей конфигурации -- аналог квазиклассического метода Байера-Каткова для плоских фотонов. Установлено, что излучение закрученных фотонов с большой проекцией полного углового момента, создаваемого электронами в спиральных вигглерах и сильных лазерных полях, может быть описано квазиклассически только в случае небольшой квантовой отдачи. В дипольном режиме квантовая отдача может быть существенной и все еще с хорошей точностью описываться квазиклассически. Исследован эффект распускающейся розы в излучении закрученных фотонов электронами в сильных лазерных волнах круговой поляризации и в вигглерах.

 

Публикации

1. Афанасьев А.В., Карловец Д.В., Сербо В.Г. Schwinger scattering of twisted neutrons by nuclei Physical Review C, vol. 100, pp.051601-1 --051601-5 (год публикации - 2019).

2. Богданов О.В., Казинский П.О. Probability of radiation of twisted photons by axially symmetric bunches of particles THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL PLUS, Vol. 134, pp. 586-1 -- 586-13 (год публикации - 2019).

3. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Probability of radiation of twisted photons by cold relativistic particle bunches Annals of Physics, Vol. 415, pp.168116-1 -- 168116-29 (год публикации - 2020).

4. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Semiclassical probability of radiation of twisted photons in the ultrarelativistic limit Physical Review D, Vol. 99, pp. 116016-1 -- 116016-29 (год публикации - 2019).

5. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Proposal for experimental observation of the twisted photons in transition and Vavilov-Cherenkov radiations Journal of Instrumentation, Vol. 15, pp. C04052-1 -- C04052-7 (год публикации - 2020).

6. Карловец Д.В., Сербо В.Г. Effects of the transverse coherence length in relativistic collisions Physical Review D, Vol. 101, pp.076009-1 -- 076009-18 (год публикации - 2020).