Effet Sokolov-Ternov

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L'effet Sokolov-Ternov est une auto-polarisation d'électrons ou de positrons relativistes énergétiques se déplaçant dans un champ magnétique. L'auto-polarisation survient lors de l'émission d'un rayonnement synchrotron spin-flip. L'effet a été prédit par Igor Ternov (en) et rigoureusement démontré par Arsenij Sokolov (en) grâce à des solutions exactes de l'équation de Dirac[1],[2]

Théorie[modifier | modifier le code]

Un électron dans un champ magnétique peut avoir son spin orienté vers le « haut » ou vers le « bas » en regard de la direction du champ magnétique (qui est par hypothèse orienté vers le « haut »). Le spin vers le « bas » est dans un état de plus grande énergie que l'état vers le « bas ». Le rayonnement synchrotron modifie l'état du spin des électrons. La probabilité du passage vers un état « bas » est légèrement plus élevée que celle vers le « haut ». Lorsqu'un faisceau d'électrons non polarisés circule suffisamment longtemps dans un anneau de stockage, le spin de la plupart des électrons sera orienté dans une direction opposée à celle du champ magnétique[3]. La saturation en fonction du temps, incomplète, est donnée par l'équation :

 \xi(t)=A\Bigl(1-e^{-t/\tau}\Bigr)

 A=8\sqrt{3}/15\approx 0.924 est la limite de polarisation et \tau est le temps de relaxation :


\tau=A{{{\hbar}^2}\over {mc{e}^2}}\Bigl({{mc^2}\over {E}}\Bigr)^2\Bigl({H_0\over H}\Bigr)^3.

Ici, A est comme avant, \hbar est la constante de Planck réduite, m et e sont la masse et la charge de l'électron, c est la vitesse de la lumière, E est l'énergie de l'électron, H_0 \approx 4.41 \times 10^{13} \times G (G est le champ de Schwinger) et H est le champ magnétique.

La limite de polarisation A est moindre que 1 à cause de l'existence d'un échange d'énergie du spin au niveau de l'orbitale atomique qui permet les transitions vers l'état « haut ». Le temps de relaxation est de l'ordre de l'heure. La production d'un faisceau très polarisé demande donc un long temps d'exposition dans un anneau de stockage.

L'auto-polarisation pour les positrons est semblable, à l'exception qu'ils tendront à avoir un spin orienté parallèlement à la direction du champ magnétique[4].

Cet effet semble avoir un lien avec l'effet Unruh, qui n'a jamais pu être observé expérimentalement jusqu'à aujourd'hui, en 2012.

Observations expérimentales[modifier | modifier le code]

L'effet Sokolov-Ternov a été observé expérimentalement en URSS, France, Allemagne, États-Unis, Japon et Suisse dans les anneaux de stockage abritant des électrons ayant une énergie dans la plage 1-50 GeV[3],[5].

  • 1971 : Budker Institute of Nuclear Physics (URSS, première observation), dans l'anneau VEPP-2 (625 MeV)
  • 1971 : Orsay (France), dans l'anneau ACO (536 MeV)
  • 1975 : Stanford (États-Unis), dans l'anneau SPEAR (2,4 GeV)
  • 1980 : DESY (Hambourg, Allemagne), dans l'anneau PETRA (15,2 GeV).

Applications[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Sokolov–Ternov effect » (voir la liste des auteurs)

  1. (ru) A. A. Sokolov, « О поляризационных и спиновых эффектах в теории синхротронного излучения », Doklady Akademii Nauk SSSR, vol. 153, no 5,‎ 1963, p. 1052–1053
  2. A. A. Sokolov and I. M. Ternov, « On Polarization and Spin Effects in Synchrotron Radiation Theory », Sov. Phys. Dokl., vol. 8,‎ 1964, p. 1203 (Bibcode 1964SPhD....8.1203S, lire en ligne)
  3. a et b (en) A. A. Sokolov, I. M. Ternov et C. W. Kilmister (dir.), Radiation from Relativistic Electrons, New York, American Institute of Physics Translation Series,‎ 1986 (ISBN 0-88318-507-5), Section 21.3 pour la théorie et section 27.2 pour les vérifications expérimentales
  4. J. Kessler, Polarized Electrons. 2nd edition, Berlin, Springer,‎ 1985 Section 6.2.
  5. V. A. Bordovitsyn (editor), Synchrotron Radiation Theory and Its Development: in Memory of I. M. Ternov, Singapore, World Scientific,‎ 1999 (ISBN 981-02-3156-3, lire en ligne)

Articles connexes[modifier | modifier le code]