Effet Sokolov-Ternov

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 « haut». 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 :

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

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

${\displaystyle \tau =A{{{\hbar }^{2}} \over {mc{e}^{2}}}{\Bigl (}{{mc^{2}} \over {E}}{\Bigr )}^{2}{\Bigl (}{H_{0} \over H}{\Bigr )}^{3}.}$

Ici, ${\displaystyle A}$ est comme avant, ${\displaystyle \hbar }$ est la constante de Planck réduite, ${\displaystyle m}$ et ${\displaystyle e}$ sont la masse et la charge de l'électron, ${\displaystyle c}$ est la vitesse de la lumière, ${\displaystyle E}$ est l'énergie de l'électron, ${\displaystyle H_{0}\approx 4.41\times 10^{13}\times G}$ (${\displaystyle G}$ est le champ de Schwinger) et ${\displaystyle H}$ est le champ magnétique.

La limite de polarisation ${\displaystyle A}$ 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.

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).

• Effet Unruh
• Rayonnement de Hawking