Разработка инновационных технологий в физике поляризованных пучков для реализации программы поляризационных исследований в комплексе NICA, ОИЯИ и расширения программы в область исследований фундаментальных симметрий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 25-72-30005

НазваниеРазработка инновационных технологий в физике поляризованных пучков для реализации программы поляризационных исследований в комплексе NICA, ОИЯИ и расширения программы в область исследований фундаментальных симметрий

Руководитель Филатов Юрий Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №107 - Конкурс 2025 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-103 - Физика ускорителей

Ключевые слова Ускорительный комплекс NICA, cпиновая прозрачность, спиновые навигаторы, пересечение спиновых резонансов, физика за пределами Стандартной Модели, фундаментальные симметрии, электрический дипольный момент, спин как аксионная антенна, квази-замороженный спин, время когерентности) спина, тензорная поляриметрия дейтронов, разработка поляриметров, фильтр Вина, handedness

Код ГРНТИ29.15.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Программа физики поляризационных явлений на ускорительном комплексе МЕГА-класса NICА будет реализовываться после запуска спинового детектора SPD, оптимизированного под выяснение роли поляризации глюонов в нуклонах для разрешения проблемы «спинового кризиса». Широкий круг не менее важных задач по фундаментальным симметриям требует дополнительного теоретического анализа и новой инфраструктуры за рамками SPD. Стандартная Модель электрослабых взаимодействий не дает ответа на фундаментальные проблемы иерархии масс, масштаба СP-несохранения, иерархии углов смешивания как в кварковом, так и в нейтринном секторах. Вводимое в ней СР-несохранение допускает в рамках космологии Большого Взрыва генерацию барионной асимметрии Вселенной, но только на многие порядки меньшей наблюдаемой на опыте, что означает существование до сих пор неустановленных механизмов СР-несохранения вне Стандартной Модели. Разрешение загадки СР-симметрии в квантовой хромодинамике с помощью аксионов напрямую связано с открытым вопросом о природе темной материи во Вселенной, и прецессия спинов частиц в накопителях может быть использована в качестве аксионной антенны для обнаружения этих эффектов. Р- и Т-нечетный ЭДМ частиц, ядер и атомов важен как рекордно чувствительный сигнал СР-несохранения вне рамок стандартной электрослабой теории. Исследование спиновых потоков во вращающихся партон-адронных системах (handedness), даст ценную информацию по передаче больших угловых моментов в конечные многочастичные состояния при нецентральных столкновениях. Расширение физической программы комплекса NICA в область фундаментальных симметрий выдвинет ее на самый передний фронт современной физики высоких энергий и космологии. МФТИ совместно с ОИЯИ разрабатывает новый метод управления динамикой спина лёгких ядер — режим спиновой прозрачности (ST режим), который требует экспериментальной проверки. ST режим позволяет управлять направлением поляризации любого сорта частиц с помощью спиновых навигаторов — специальных магнитных вставок на основе слабых полей. Спиновые навигаторы позволят реализовать систему многократных переворотов спина для снижения систематических ошибок эксперимента, и позволят скомпенсировать когерентное деполяризующее действие несовершенства магнитной структуры коллайдера. Поляризованные дейтроны играют фундаментальную роль для изучения взаимодействия с поляризованными нейтронами. Продольная поляризация дейтронов не имеет экспериментально апробированного решения. В настоящее время нет ни одного коллайдера в мире, который имел бы возможность работы на пучках поляризованных дейтронов. Для дейтронов ST-режим представляется вообще единственным решением для управления поляризацией. Расширение спиновой программы NICA прецизионными экспериментами по фундаментальным симметриям требует новых инфраструктурных решений. Модернизация Нуклотрона как инжектора поляризованных протонов и дейтронов в коллайдер, установка фильтров Вина в его прямых секциях позволят осуществлять поиск ЭДМ дейтронов в новом подходе квази-замороженного спина. Одновременно Нуклотрон становится широкополосной антенной аксионов и аксионоподобных частиц. Размещение соленоидов позволит проводить эксперименты в ST режиме с поляризованными дейтронами во всем диапазоне энергий. В проекте предусмотрены модернизация источников поляризованных протонов и дейтронов, и разработка высоко-эффективных систем поляриметрии в реальном времени во всем диапазоне импульсов коллайдера NICA. Проект нацелен на обеспечение светимости поляризованных пучков протонов и дейтронов, требуемой для реализации программы спиновых исследований на SPD. Создание инновационных систем измерения поляризации и контроля направления спинов позволит проводить эксперименты с поляризованными пучками как в детекторе SPD, так и уникальные эксперименты по исследованию фундаментальных симметрий за рамками SPD, таких как поиск миллисильного С- и Т-несохранения вне Стандартной Модели и нарушения пространственной четности.

Ожидаемые результаты
Разработанные в результате реализации проекта инновационные системы измерения и управления поляризацией позволят выполнить программу исследований с поляризованными протонами и дейтронами в детекторе SPD. В основе системы управления будет использована не имеющая аналогов в мире технология спинового навигатора. В отличие от традиционной технологии спиновых ротаторов, требующих для протонов интеграл магнитного поля в несколько десятков Тл м, в спиновом навигаторе используются слабые магнитные поля с интегралом поля на 2-3 порядка меньше. Более того, спиновый навигатор позволяет эффективно управлять ориентацией поляризации дейтронов, что в традиционных ротаторах невозможно из-за нереально больших требуемых интегралов поля, составляющих сотни Тл м. Программа спиновых исследований в коллайдере станет реализуема на SPD после обеспечения проектной светимости поляризованных пучков протонов, для чего должна быть решена проблема пересечения критической энергии. Деполяризация пучка протонов, связанная с пересечением спиновых резонансов в процессе ускорения, будет исключена за счет использования технологии сибирских змеек. Кроме того, змейки обеспечат стабилизацию направления спинов протонов на временах до нескольких часов на любой энергии. Существующая технология сибирских змеек на основе спиральных магнитов, разработанная в БНЛ (Брукхэйвен, США), не применима в области энергий коллайдера NICA, из-за большого искажения замкнутой орбиты. Для протонов будут предложены более эффективные по апертурным ограничениям змейки на дипольных магнитах, разработанных по технологии ОИЯИ, которые будут актуальны для других ускорительных комплексов таких как У-70 (Протвино), электрон-ионные коллайдеры EIC (США), HIAF/EicC (Китай) и др. Разработанные технологии спиновых навигаторов и сибирских змеек позволят расширить инфраструктуру поляризационных исследований в ОИЯИ. Станут доступны, не дожидаясь строительства и запуска SPD, эксперименты в коллайдере в ST режиме в накопительной моде с использованием поляриметров нового класса, которые должны позволять делать следующие измерения: величины и ориентации поляризации на каждом этапе получения и ускорения пучков (в линейном ускорителе, бустере, Нуклотроне и коллайдере), потери поляризации пучков при перевороте спина, зависимости поляризации во времени в течение одного цикла накопления, профилей распределения поляризации для встречных пучков частиц в коллайдере. Измерение абсолютной величины поляризации пучков необходимо для определения и минимизации потерь в процессе ускорения, и в конечном счёте для нормировки результатов физических экспериментов. Точность измерения поляризации должна быть ≤ 5%. Появится возможность параллельно с исследованиями на пучках тяжелых ионов в коллайдере NICA проводить эксперименты на Нуклотроне на выведенных поляризованных пучках. Станет возможным использовать Нуклотрон для экспериментальной проверки концепции спиновой прозрачности, а также в качестве стенда по отладке систем управления и измерения поляризации в ST режиме. Разработанный проект нового кольца Нуклотрона существенно расширит программу поляризационных исследований в ОИЯИ. Дополнение Нуклотрона прямыми секциями с фильтрами Вина откроет возможность высокочувствительного поиска ЭДМ дейтронов и протонов в новом подходе квази-замороженного спина. Фильтры Вина позволяют менять в широких пределах частоту прецессии спина с сохранением энергии и орбиты пучка, превращая Нуклотрон в широкополосную аксионную антенну. Перспективен новый подход с регистрацией сигнала ЯМР между прецессией спина и осцилляциями псевдомагнитного поля галактического аксионного конденсата по генерации горизонтальной осциллируюущей поляризации пучка. Возможность вывода на внешнюю мишень пучков с любой контролируемой поляризацией важна для новых подходов к поиску по вектор-тензорной асимметрии миллисильного СР-несохранения вне рамок Стандартной Модели и наблюдения Р-нечетной в полном сечении рассеянии поляризованных протонов и дейтронов. Поляризованные пучки дейтронов высокой энергии открывают возможность впервые в мире исследовать полный изотопический набор поляризованных нуклон-нуклонных столкновений (p-p, p-n и n-n). Не менее важно наличие поляризованных пучков с уникальными характеристиками для решения других фундаментальных проблем, как возможное нарушение изотопической инвариантности в сильных взаимодействиях и нарушение универсальности поколений кварков (между u и d кварками) в сильных взаимодействиях. Другой фундаментальной задачей является исследование реакции глубоко-неупругого синтеза в столкновениях поляризованных дейтронов с образованием экзотических поляризованных четырёх-нуклонных систем, в том числе, таких как водород-4 и тетра-нейтрон, которые рассматриваются как возможные компоненты ядерной материи в массивных звёздах. За последние сорок лет накопился целый ряд поляризационных эффектов, которые не имеют теоретических объяснений и противоречат предсказаниям, сделанным в рамках КХД: скачок отношения сечений с параллельной и антипараллельной ориентацией поперечных спинов в упругом рр-столкновении при p_T > 1.5 ГэВ/с от 1 до 4; огромная анализирующая способность (или асимметрия) в рождении пи-мезонов (вплоть до 45%); большая поляризация гиперонов рождённых с p_T > 1.5 ГэВ/с даже во взаимодействиях с неполяризованными нуклонами и ядрами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках разработки программы спиновых экспериментов на комплексе NICA исследованы методы управления поляризацией в режиме спиновой прозрачности (ST). Режим ST с использованием двух соленоидальных змеек позволяет получать поперечную и продольную поляризацию (~80%) протонных и дейтронных пучков высокой интенсивности для детектора SPD, а также реализовать быстрый (~1 с) спин-флип. Для валидации методики запланирован пилотный эксперимент с протонами на целых резонансах в Нуклотроне, что позволит проводить эксперименты с выведенным поляризованным пучком на дискретных энергиях с шагом ~0.5 ГэВ. Перспективным решением является внедрение инжектора в форме «8». Такая конфигурация обеспечивает ускорение различных частиц (p, d, ³He) без потерь поляризации и автоматическую реализацию ST-режима на всех энергиях без змеек, расширяя программу спиновых исследований. Разрабатываемые спиновые навигаторы (системы компенсации ошибок и спин-флипа) стабилизируют поляризацию в ST-режиме. Анализ показал, что в режиме со змейками требуемые навигаторные поля на порядок меньше, чем на целых резонансах, из-за подавления влияния синхротронных колебаний. Компактные дипольные змейки решают задачу сохранения поляризации протонов в диапазоне 3–13.5 ГэВ. Для достижения проектной светимости разработаны схемы сохранения поляризации при пересечении критической энергии и её исключения после охлаждения пучка. Модернизация источника поляризованных ионов на поперечную инжекцию в ионизатор позволит снизить эмиттанс и повысить интенсивность и поляризацию пучков. Для диагностики пучков в инжекторном комплексе (5–150 кэВ) разработаны прототипы лэмбовского поляриметра (5–25 кэВ) и поляриметров на ядерных реакциях ⁶Li(p,³He)⁴He и D(D,p)T (25–150 кэВ). В рамках исследования сигнатур эффектов в плотной среде изучены новые наблюдаемые – импульсная завихренность (pulse vorticity) и импульсный сдвиг (pulse shear). Проведён анализ данных ALICE/LHC по коллективному потоку гиперонов и исследованы угловые распределения лептонных пар как возможные сигналы завихренности. Для программы тензорной поляриметрии дейтронов в NICA проведён анализ тензорных спиновых эффектов в реакции стриппинга dd→dnp. Исследована возможность выделения вклада спектаторного квазиупругого pd-рассеяния. Проанализирована декогеренция тензорной поляризации, выявлено различие скоростей декогеренции для разных её компонент. Рассмотрены методы измерения тензорных поляризуемостей дейтрона, включая использование спин-тензорных резонансов и радиочастотных ротаторов. В контексте поиска Новой физики изучены теоретические аспекты. Показано, что в моделях с аксион-фотонным взаимодействием осциллирующие магнитный момент и ЭДМ могут возникать и у лептонов. Исследовано ускорение закрученных состояний с высокими спинами. Для прецизионного поиска ЭДМ (~10⁻²⁹ e·см) разработан частотный метод. Аналитически показана линейность частоты спин-прецессии по ЭДМ и инвариантность оси прецессии в плоскости кольца, что позволяет отделить вклад магнитного дипольного момента. Структура типа «квази-замороженного спина» требует компенсации угла поворота спина в фильтрах Вина. Накопитель в форме «8» является оптимальным для таких экспериментов, поскольку исключает пересечение спиновых резонансов при ускорении и обеспечивает время спиновой когерентности до нескольких часов. Для поиска аксионоподобных частиц или ЭДМ в такую структуру могут быть интегрированы фильтры Вина и соленоидальные змейки. Для численного моделирования взаимодействия с аксионным полем разработана соответствующая вычислительная модель. Таким образом, проводимые исследования и разработки формируют основу для превращения комплекса NICA в уникальную площадку для проведения высокоточных экспериментов с поляризованными пучками.

Публикации

1. Мельников А.А., Колокольчиков С.Д., Аксентьев А.Е., Сеничев Ю.В. Investigation of Spin-Decoherence in a Figure-8 Ring to Search for CP-Violation Sources Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

2. Узиков Ю.Н. Relations between Spin Observables of the Reactions dd -> npd and pd -> pd in the Impulse Approximation Physics of Particles and Nuclei Letters, No. 6, Vol. 22, pp. 1392–1397 (год публикации - 2025)
10.1134/S154747712570178X

3. Цыплаков Е.Д., Филатов Ю.Н., Кондратенко А.М., Кондратенко М.А., Бутенко А.В., Ладыгин В.П., Лебедев В.А., Сыресин Е.М., Бутенко Е.А. Сибирские змейки на поперечных магнитных полях для сохранения и управления поляризацией протонов в коллайдере NICA/ОИЯИ Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

4. Паламарчука П.И., Колокольчиков С.Д., Аксентьев А.Е., Мельников А.А., Сеничев Ю.В. Разработка принципиальной структуры накопительного кольца для исследования электрического дипольного момента легких ядер Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

5. Белов А.С., Зеленский А.Н., Ившин К.А., Куликов М.В., Лебедев В.А., Соловьёв А.Н., Сыресин Е.М., Филатов Ю.Н., Фимушкин В.В. Источники поляризованных ионов с накопительной ячейкой в перезарядном плазменном ионизаторе Письма в ЖЭТФ, том 122, вып.8, с.439–446 (год публикации - 2025)
10.31857/S0370274X25100128

6. Филатов Ю.Н., Кондратенко А.М., Кондратенко М.А., Цыплаков Е.Д., Бутенко А.В., Ладыгин В.П., Лебедев В.А., Сыресин Е.М., Бутенко Е.А., Чернышов А.И. Управление поляризацией протонов и дейтронов в режиме спиновой прозрачности в ускорительном комплексе NICA/ОИЯИ Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

7. Зеленский А.Н., Ладыгин В.П., Фимушкин B.В., Дунин Н.В., Ившин К.А., Соловьёв А.Н., Шиндин Р.А., Жабин С.Н., Филатов Ю.Н., Черникова А.А., Белов А.С. Поляриметрия в ускорительном комплексе коллайдера NICA Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

8. Колокольчиков С.Д., Аксентьев А.Е., Мельников А.А., Сеничев Ю.В. Особенности магнитооптической структуры многофункционального кольца в форме 8 Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

9. Аксентьев А.Е., Мельников А.А., Сеничев Ю.В., Колокольчиков С.Д., Николаев Н.Н., Паламарчука П.И. First look into the potential of the Proton Spin in a Quasi-Frozen Spin Lattice as an Axion Detector Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

10. Сеничев Ю.В., Колокольчиков С.Д., Аксентьев А.Е., Мельников А.А., Паламарчука П.И., Николаев Н.Н., Ладыгин В.П., Сыресин Е.М. Высоко суперпериодическая структура Нуклотрона с квази-замороженным спином для исследования электрического дипольного момента легких ядер Письма в ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

11. Менг К., Хуанг З., Лю Х., Ма В., Янг Ж., Лу Л., Силенко А.Я., Занг П. Relativistic quantum mechanics of charged vortex particles accelerated in a uniform electric field PHYSICAL REVIEW RESEARCH, 7, 043213 (2025) (год публикации - 2025)
10.1103/z6j7-grs2

12. Борисов А.Б., Длин Э.Ф. Collective behavior of hyperons in Pb-Pb collisions with ALICE ЭЧАЯ (год публикации - 2026)

13. Датта А., Денисенко И.И., Узиков Ю.Н. Исследование процесса pd -> pd с помощью реакции dd -> npd в эксперименте SPD ЭЧАЯ, том 57, вып.2, 2026 г. (год публикации - 2026)