Вихрові стани як новий інструмент для ядерної фізики та фізики частинок

Автор(и)

  • I.P. Ivanov School of Physics and Astronomy, Sun Yat-sen University

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.2.100

Ключові слова:

вихровi стани, орбiтальний кутовий момент, загадка протонного спiну

Анотація

Вихровi стани фотонiв, електронiв та iнших частинок – це хвильовi пакети зi спiральними хвильовими фронтами, якi несуть проекцiю власного орбiтального кутового моменту (ОКМ) вздовж свого середнього напрямку поширення. Такi стани вже були отриманi експериментально, хоча й при низьких енергiях, i iснують перспективи поширити їх на дiапазони енергiй порядку МеВ та ГеВ. Регульований ОКМ, що переноситься такими хвильовими пакетами, являє собою абсолютно новий ступiнь вiльностi, який нiколи не використовували у зiткненнях частинок та ядер. Передбачаючи майбутнiй експериментальний прогрес, можна запитати, якi знання про ядра та частинки можна отримати, коли зiткнення високоенергетичних вихрових станiв стануть можливими. В данiй роботi ми обговорюємо сучасну ситуацiю та окреслюємо фiзичнi можливостi, якi пов’язанi iз зiткненнями високоенергетичних вихрових станiв.

Посилання

1. K.Y. Bliokh, I.P. Ivanov, G. Guzzinati, L. Clark, R. Van Boxem, A. B'ech'e, R. Juchtmans, M.A. Alonso, P. Schattschneider, F. Nori et al. Theory and applications of freeelectron vortex states. Phys. Rept. 690, 1-70 (2017).

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.05.006

2. S.M. Lloyd, M. Babiker, G. Thirunavukkarasu, J. Yuan. Electron vortices: Beams with orbital angular momentum. Rev. Mod. Phys. 89, 035004 (2017).

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.035004

3. B.A. Knyazev, V.G. Serbo. Beams of photons with nonzero projections of orbital angular momenta: new results. Phys. Uspekhi 61, 449 (2018).

https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.02.038306

4. I.P. Ivanov. Promises and challenges of high-energy vortex states collisions. Prog. Part. Nucl. Phys. 127, 103987 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2022.103987

5. D. Karlovets. Scattering of wave packets with phases. JHEP 03, 049 (2017).

https://doi.org/10.1007/JHEP03(2017)049

6. U.D. Jentschura, V.G. Serbo. Generation of high-energy photons with large orbital angular momentum by compton backscattering. Phys. Rev. Lett. 106 (1), 013001 (2011).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.013001

7. D.V. Karlovets Electron with orbital angular momentum in a strong laser wave. Phys. Rev. A 86, 062102 (2012).

https://doi.org/10.1103/PhysRevA.86.062102

8. K.Y. Bliokh, M.R. Dennis, F. Nori. Relativistic electron vortex beams: Angular momentum and spin-orbit interaction. Phys. Rev. Lett. 107, 174802 (2011).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.174802

9. V. Serbo, I.P. Ivanov, S. Fritzsche, D. Seipt, A. Surzhykov. Scattering of twisted relativistic electrons by atoms. Phys. Rev. A 92 (1), 012705 (2015).

https://doi.org/10.1103/PhysRevA.92.012705

10. D. Sarenac, J. Nsofini, I. Hincks, M. Arif, Ch. W. Clark, D.G. Cory, M.G. Huber, D.A. Pushin. Methods for preparation and detection of neutron spin-orbit states. New J. Phys. 20 103012 (2018).

https://doi.org/10.1088/1367-2630/aae3ac

11. Z.P. Li, Y. Wang, Y.I. Salamin, M. Ababekri, F. Wan, Q. Zhao, K. Xue, Y. Tian, J.X. Li. Generation of relativistic structured spin-polarized lepton beams. Phys. Rev. Lett. 135 (13), 135001 (2025).

https://doi.org/10.1103/sj2g-wvzt

12. L. Allen, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, J.P. Woerdman. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys. Rev. A 45, 8185 (1992).

https://doi.org/10.1103/PhysRevA.45.8185

13. J.C.T. Lee, S.J. Alexander, S.D. Kevan, S. Roy, B.J. McMorran. Laguerre-Gauss and Hermite-Gauss soft X-ray states generated using diffractive optics. Nature Photonics 13, 205 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41566-018-0328-8

14. M. Wei, S. Chen, Y. Wang, X. Hu, M. Zhu, H. Hu, P. L. He, W. Zhou, J. Jia, L. Lu et al. Experimental evidence of vortex Oi photons in all-optical inverse compton scattering. arXiv:2503.18843 [physics.plasm-ph].

15. V.G. Serbo, A. Surzhykov, A. Volotka. Resonant scattering of plane-wave and twisted photons at the gamma factory. Annalen Phys. 534 (3), 2100199 (2022).

https://doi.org/10.1002/andp.202100199

16. K.Y. Bliokh, Y.P. Bliokh, S. Savel'ev, F. Nori, Semiclassical dynamics of electron wave packet states with phase vortices. Phys. Rev. Lett. 99, 190404 (2007).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.190404

17. M. Uchida, A. Tonomura. Generation of electron beams carrying orbital angular momentum. Nature 464, 737 (2010).

https://doi.org/10.1038/nature08904

18. J. Verbeeck, H. Tian, P. Schlattschneider. Production and application of electron vortex beams. Nature 467, 301 (2010).

https://doi.org/10.1038/nature09366

19. B.J. McMorran et al. Electron vortex beams with high quanta of orbital angular momentum. Science 331, 192 (2011).

https://doi.org/10.1126/science.1198804

20. D. Karlovets. Vortex particles in axially symmetric fields and applications of the quantum Busch theorem. New J. Phys. 23 (3), 033048 (2021).

https://doi.org/10.1088/1367-2630/abeacc

21. D.V. Karlovets, S.S. Baturin, G. Geloni, G.K. Sizykh, V.G. Serbo. Shifting physics of vortex particles to higher energies via quantum entanglement. Eur. Phys. J. C 83 (5), 372 (2023).

https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-11529-4

22. L. Zou, P. Zhang, A.J. Silenko. Production of twisted particles in heavy-ion collisions. J. Phys. G 50 (1), 015003 (2023).

https://doi.org/10.1088/1361-6471/aca1d6

23. S.S. Baturin, D.V. Grosman, G.K. Sizykh, D.V. Karlovets. Evolution of an accelerated charged vortex particle in an inhomogeneous magnetic lens. Phys. Rev. A 106 (4), 042211 (2022).

https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.042211

24. D. Karlovets, D. Grosman, I. Pavlov. Angular momentum dynamics of vortex particles in accelerators. arXiv: 2507.08763 [physics.acc-ph].

25. A.S. Dyatlov et al. Classical and Quantum Beam Dynamics Simulation of the RF Photoinjector Test Bench at JINR. arXiv:2509.00732 [physics.acc-ph].

26. Ch.W. Clark, R. Barankov, M.G. Huber, M. Arif, D.G. Cory, D.A. Pushin. Controlling neutron orbital angular momentum. Nature 525, 504 (2015).

https://doi.org/10.1038/nature15265

27. D. Sarenac et al. Experimental realization of neutron helical waves. Sci. Adv. 8, eadd2002 (2022).

https://doi.org/10.1126/sciadv.add2002

28. A. Luski et al. Vortex beams of atoms and molecules. Science 373 (6559), 1105 (2021).

https://doi.org/10.1126/science.abj2451

29. F. An, D. Bai, S. Chen, X. Chen, H. Duyang, L. Gao, S.F. Ge, J. He, J. Huang, Z. Huang, et al. High-precision physics experiments at huizhou large-scale scientific facilities. arXiv:2504.21050 [hep-ph].

30. Y. Wu, S. Gargiulo, F. Carbone, C.H. Keitel, A. P'alffy. Dynamical control of nuclear isomer depletion via electron vortex beams. Phys. Rev. Lett. 128 (16), 162501 (2022).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.162501

31. A. Palffy, J. Evers, C.H. Keitel. Isomer triggering via nuclear excitation by electron capture. Phys. Rev. Lett. 99, 172502 (2007).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.172502

32. C.J. Chiara et al. Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture. Nature 554 (7691), 216 (2018).

https://doi.org/10.1038/nature25483

33. Y. Wu, C.H. Keitel, A. P'alffy. 93m Mo isomer depletion via beam-based nuclear excitation by electron capture. Phys. Rev. Lett. 122 (21), 212501 (2019).

34. Z.W. Lu, L. Guo, Z.Z. Li, M. Ababekri, F.Q. Chen, C. Fu, C. Lv, R. Xu, X. Kong, Y.F. Niu et al. Manipulation of giant multipole resonances via vortex γ photons. Phys. Rev. Lett. 131 (20), 202502 (2023).

35. Z.W. Lu, H. Zhang, T. Li, M. Ababekri, X. Wang, J.X. Li. Nuclear excitation and control induced by intense vortex laser. arXiv:2503.12812 [nucl-th].

36. J. Schwinger. On the polarization of fast neutrons. Phys. Rev. 73, 407 (1948).

https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.407

37. A.V. Afanasev, D.V. Karlovets, V.G. Serbo. Schwinger scattering of twisted neutrons by nuclei. Phys. Rev. C 100 (5), 051601 (2019).

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.100.051601

38. A.V. Afanasev, D.V. Karlovets, V.G. Serbo. Elastic scattering of twisted neutrons by nuclei. Phys. Rev. C 103 (5), 054612 (2021).

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.103.054612

39. P. Zhao, I.P. Ivanov, P. Zhang. Decay of the vortex muon. Phys. Rev. D 104 (3), 036003 (2021).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.036003

40. W. Kou, B. Guo, X. Chen. Unveiling the secrets of vortex neutron decay. Phys. Lett. B 862, 139332 (2025).

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139332

41. I. Pavlov, A. Chaikovskaia, D. Karlovets. Angular momentum effects in neutron decay. Phys. Rev. C 111 (2), 024619 (2025).

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.024619

42. C.A. Aidala, S.D. Bass, D. Hasch, G.K. Mallot. The spin structure of the nucleon. Rev. Mod. Phys. 85, 655 (2013).

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.655

43. U.D. Jentschura, V.G. Serbo. Compton upconversion of twisted photons: Backscattering of particles with nonplanar wave functions. Eur. Phys. J. C 71, 1571 (2011).

https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-011-1571-z

44. I.P. Ivanov. Colliding particles carrying non-zero orbital angular momentum. Phys. Rev. D 83, 093001 (2011).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.83.093001

45. G.L. Kotkin, V.G. Serbo, A. Schiller. Processes with large impact parameters at colliding beams. Int. J. Mod. Phys. A 7, 4707 (1992).

https://doi.org/10.1142/S0217751X92002131

46. D.V. Karlovets, V.G. Serbo. Effects of the transverse coherence length in relativistic collisions. Phys. Rev. D 101 (7), 076009 (2020).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.076009

47. I.P. Ivanov. Measuring the phase of the scattering amplitude with vortex beams. Phys. Rev. D 85, 076001 (2012).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.85.076001

48. I.P. Ivanov, D. Seipt, A. Surzhykov, S. Fritzsche. Elastic scattering of vortex electrons provides direct access to the Coulomb phase. Phys. Rev. D 94 (7), 076001 (2016).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.076001

49. D.V. Karlovets. Probing phase of a scattering amplitude beyond the plane-wave approximation. EPL 116 (3), 31001 (2016).

https://doi.org/10.1209/0295-5075/116/31001

50. Y. Wunderlich, R. Beck, L. Tiator. The complete-experiment problem of photoproduction of pseudoscalar mesons in a truncated partial-wave analysis. Phys. Rev. C 89 (5), 055203 (2014).

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.89.055203

51. N. Korchagin. Studying timelike proton form factors using vortex state p ¯ p annihilation. Phys. Rev. D 111 (7), 076005 (2025).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.111.076005

52. I.P. Ivanov, N. Korchagin, A. Pimikov, P. Zhang. Doing spin physics with unpolarized particles. Phys. Rev. Lett. 124 (19), 192001 (2020).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.192001

53. I.P. Ivanov, N. Korchagin, A. Pimikov, P. Zhang. Twisted particle collisions: a new tool for spin physics. Phys. Rev. D 101 (9), 096010 (2020).

https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.096010

Завантаження

Опубліковано

2026-02-18

Номер

Том 71 № 2 (2026)

Розділ

Теорія

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Вихрові стани як новий інструмент для ядерної фізики та фізики частинок. (2026). Український фізичний журнал, 71(2), 100. https://doi.org/10.15407/ujpe71.2.100