| 题名 | 博士论文-τ－charm能区电子束流自旋极化的研究 |
| 作者 | 王东 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 1998 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 吴英志 |
| 关键词 | 正负电子对撞机 自旋极化 自旋转动器 τ-charm 工厂 退极化效应 自旋拟合 |
| 学位专业 | 粒子物理 |
| 中文摘要 | 自旋是本世纪发现的基本粒子的重要性质之一。纵向自旋极化的高亮度对撞束流会大大增强对粒子相互作用的分析和鉴别能力，因此成为八十年代以来科学工作者在高能物理实验研究中孜孜以求的目标。但由于理论和技术的复杂性，直到1994年，才在德国DESY的质子-电子对撞机HERA的（正）电子环上首次实现了纵向自旋极化运行。北京τ-charm工厂（Beijing Tau-charm Factory，简定为BTCF）是一台设计中的工作在τ-charm能区的新一代高亮度正负电子对撞机。近年来，理论粒子物理学家提出了在BTCF上用纵向极化束流可以对τ-section的CP破坏等重要物理现象进行深入研究，目前这已成为BTCF的最主要物理目标之一。在环形对撞机上实现纵向极化牵涉到的一系列较为复杂的问题，这也是迄今为止只有HERA一台机器成功的主要原因。在τ-charm能区实现纵向极化有其众多特殊的地方，一方面由于自旋极化是与能量高度相关的物理现象，因此在极化产生，转动和退极化效应等方面BTCF与更高或更低能区的机器的差异很大。另一方面，BTCF所具有的垂直分离的双环结构，周长受到现有场地限制等特点，使我们在自旋转动器设计，同时廉顾多种运行模式以及抑制退极化效应等课题上均面临严峻的挑战。本文较为系统地研究了在BTCF上实现纵向极化的各个主要方面。首先是极化束流的产生：BTCF在利用Sokolov-Ternov辐射极化效应方面处于相当临界的情形。计算表明专用的非对称强场扭摆磁的铁或强场弯转磁铁可以加速束流的辐射极化，但会引起自然能散度的明显增加以及其它若干副作用。经过研究比较，本文认为极化电子枪是一种较为方便和实用的选择。此外作为学术上的一种可能性，我们也初步探讨了正电子预极化环，可供今后参考。自旋转动器的选择则是另一个既影响纵向极化实现也影响储存环整体设计的重要问题。本文研究结果表明，BTCF难以采用在HERA上证明十分成功的小角度自旋转动器（mini-rotator）。根据τ-charm能区的特点我们重点研究了对称型弯转磁铁-螺线管自旋转动器，选择其做为BTCF纵向极化的主要方案，并在此基础上重新安排了BTCF的磁聚焦结构，将自旋转动器自然的融入对撞机整体，储存环的周长保持在385.4m，并且原有的高亮度模式和单色模式的性能没有受到明显的影响。通过有限范围内磁铁的平面的移动，可以保证物理目标所要求的主要能区内（1.84-2.02GeV）在对撞点实现精确的纵向极化对撞。在BTCF上实现纵向极化的最关键问题是对环内存在的强烈退极化效应的抑制，这是本论文研究的重点和难点。计算表明，由于退极化效应，若没有自旋拟合，带有自旋转动器的BTCF储存环的平衡态极化水平只有5%左右。本文从自旋极化物理角度系统地分析了BTCF储存环的结构特性，分区对不同的自旋-轨道耦合项进行自旋拟合。通过理论推导和数值计算研究了BTCF的垂直消色差节和原有极化段的水平消色差节的自旋积分，发现总轨道弯转角不为零的消色差节的表征自旋-纵向运动耦合的自旋积分Si6等于该段对自旋矢量的弯转角。这一发现使我们通过重新设计自旋转动器段而做到了自旋转器-对撞区-自旋转动器上水平与纵向与自旋运动的完全去耦合，使Derbenev-Kondratenko矢量在占全环88%弯转角的B铁内为零。计算显示在这样的条件下，BTCF储存环的平衡态极化水平在1.84-2.0GeV能量范围内达到80%左右，（退）极化时间为4-5小时，实际上这个结果已经超过了在本工作开始时的最好的期望值。此外，本文还研究了另一种在实际运行中可能影响极化实现的因素即闭轨畸变对平衡态极化水平的影响，结果显示在BTCF这样一台较低能区的储存环上其影响并不十分严重，这也与一般理论预期和迄今为止的实验结果相吻合。纵向自旋极化模式对储存环加速器物理方面的影响也是本文所研究的重要内容。通过在设计自旋转动器时优化有关聚焦数，减少对色品等方面的影响而使动力学孔径达到16_(σX) * 16_(σY) * 10_(σE)，能够满足加速器的设计要求。本文还对BEPC的极化物理现象进行了探讨，计算结果表明，由于探测器螺线管场引起强烈的退极化效应，目前BEPC的（横向）平衡态检化水平在大部分能区远远低于理论值，极化建立时间则短于理论值。这些分析较好地解释了清华大学小组通过分析物理实验数据所得到的拟合结果，对今后BEPC的极化束流实验研究有相当的参考价值。本文的主要研究结果为：1、较为系统地研究了BTCF的纵向极化方案的各主要方面，结论为在保持高亮度条件下实现纵向极化是基本上是可行的。本文所提出的自旋拟合方法，可以达到很高的平衡态极化水平（80%左右）。本文研究表明在现有的边界条件下可以在同一磁聚焦结构上实现高亮度、纵向极化和单色对撞三种运行模式。2、本文关于对称型弯转磁铁-螺线管自旋转动器具体结构的自旋积分特性的研究所得到的一般规律对其它类似的自旋转动器的自旋拟合同样适用。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 粒子物理 |
| 公开日期 | 2016-02-25 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/210213]  |
| 专题 | 加速器中心_学位论文和出站报告 |
| 作者单位 | 中国科学院高能物理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王东. 博士论文-τ－charm能区电子束流自旋极化的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 1998. |
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