_ Aspect focalizat pe laser la rotirea electronilor bate recordul mondial de precizie

Oamenii de știință primesc o privire mai detaliată decât oricând asupra electronilor pe care îi folosesc în experimentele de precizie.

Fizicieni nucleari de la Thomas de la Departamentul de Energie al SUA Jefferson National Accelerator Facility a doborât un record vechi de aproape 30 de ani pentru măsurarea spinului paralel într-un fascicul de electroni – sau, pe scurt, polarimetria fasciculului de electroni. Realizarea creează terenul pentru experimente de mare profil la Jefferson Lab, care ar putea deschide ușa către noi descoperiri de fizică.

Într-o lucrare publicată în Physical Review C, o colaborare a cercetătorilor Jefferson Lab și a utilizatorilor științifici a raportat un măsurare mai precisă decât un punct de referință atins în perioada 1994-95 a experimentului SLAC Large Detector (SLD) la Laboratorul Național de Accelerator SLAC din Menlo Park, California.

„Nimeni nu a măsurat polarizarea unui fascicul de electroni la această precizie în orice laborator, oriunde în lume”, a spus Dave Gaskell, fizician nuclear experimental la Jefferson Lab și coautor al lucrării. „Acesta este titlul aici. Acesta nu este doar un punct de referință pentru polarimetria Compton, ci pentru orice tehnică de măsurare a polarizării electronilor.”

Polarimetria Compton implică detectarea fotonilor – particule de lumină – împrăștiate de particulele încărcate, cum ar fi electronii. . Această împrăștiere, numită efectul Compton, poate fi realizată prin trimiterea luminii laser și a unui fascicul de electroni pe un curs de coliziune.

Electronii – și fotonii – poartă o proprietate numită spin (pe care fizicienii o măsoară ca moment unghiular). La fel ca masa sau sarcina electrică, spinul este o proprietate intrinsecă a electronului. Când particulele se rotesc în aceeași direcție la un moment dat, cantitatea este cunoscută sub numele de polarizare. Cunoașterea acestei polarizări este crucială pentru fizicienii care cercetează inima materiei la cele mai mici scale.

„Gândește-te la fasciculul de electroni ca la un instrument pe care îl folosești pentru a măsura ceva, ca o riglă”, a spus Mark. Macrae Dalton, un alt fizician Jefferson Lab și coautor al lucrării. "Este în inci sau în milimetri? Trebuie să înțelegi rigla pentru a înțelege orice măsurătoare. Altfel, nu poți măsura nimic."

Precizia ultra-înaltă a fost obținută în timpul Experimentul cu rază de calciu (CREX), realizat în tandem cu Experimentul cu rază de plumb (PREX-II) pentru a sonda nucleele atomilor de greutate medie și grea pentru a înțelege structura „pielea neutroană” a acestora.

„Piele de neutroni” se referă la distribuția protonilor și neutronilor în nucleele atomilor mai denși. Elementele mai ușoare – în general cele cu un număr atomic de 20 sau mai mic în tabelul periodic – au adesea un număr egal de protoni și neutroni. Atomii cu greutate medie și grei au nevoie de obicei de mai mulți neutroni decât protoni pentru a rămâne stabili.

PREX-II și CREX s-au concentrat, respectiv, pe plumb-208, care are 82 de protoni și 126 de neutroni, și pe calciu-48, care are 20 de protoni și 28 de neutroni. În acești atomi, un număr relativ egal de protoni și neutroni se adună în jurul miezului nucleului, în timp ce neutronii suplimentari sunt împinși la margine, formând un fel de „piele”.

Experimentele au determinat că plumbul-208. are o piele de neutroni oarecum groasă, ceea ce duce la implicații pentru proprietățile stelelor neutronice. Pielea calciului-48, pe de altă parte, este relativ subțire și confirmă unele calcule teoretice. Aceste măsurători au fost făcute cu o precizie de sute de milionimi de nanometru.

PREX-II și CREX au fost efectuate din 2019 până în 2020 în Sala A a instalației de accelerare a fasciculului de electroni continuu a Jefferson Lab, un birou unic pentru știință al DOE. facilitate pentru utilizatori care sprijină cercetarea a peste 1.800 de oameni de știință din întreaga lume.

„Colaborarea CREX și PREX-II s-a preocupat de cunoașterea polarizării suficient de bine încât am dedicat timpul fasciculului pentru a face o măsurătoare de înaltă calitate”, a spus Gaskell. „Și am folosit pe deplin acel timp.”

În timpul CREX, polarizarea fasciculului de electroni a fost măsurată continuu prin polarimetrie Compton cu o precizie de 0,36%. Acest lucru a depășit nivelul de 0,5% raportat în timpul experimentului SLD al SLAC.

În acești termeni, numărul mai mic este mai bun, deoarece procentele reprezintă suma tuturor incertitudinilor sistematice - cele create de configurația unui experiment. Acestea pot include energia absolută a fasciculului, diferențe de poziție și cunoștințe despre polarizarea laserului. Alte surse de incertitudine sunt statistice, ceea ce înseamnă că pot fi reduse pe măsură ce sunt colectate mai multe date.

„Incertitudinea este atât de fundamentală, încât este greu chiar de descris pentru că nu există nimic din ceea ce știm cu o precizie infinită”, a spus Dalton. „De câte ori facem o măsurătoare, trebuie să punem o incertitudine asupra acesteia. Altfel, nimeni nu va ști cum să o interpreteze.”

În multe experimente care implică CEBAF, sursa dominantă a incertitudinii sistematice este cunoașterea polarizarea fasciculului de electroni. Echipa CREX a folosit polarimetrul Compton pentru a aduce necunoscuta la cel mai scăzut nivel raportat vreodată.

„Cu cât este mai mare precizia, cu atât testul este mai strict pentru interpretarea teoretică. Trebuie să fii suficient de strict pentru a concura cu el. alte metode de acces la fizica PREX-II și CREX”, a declarat Robert Michaels, liderul adjunct al Jefferson Lab pentru Halls A/C. „Un test imprecis nu ar avea niciun impact științific.”

Gândiți-vă la polarimetrul Compton ca la un drum de groapă pentru electronii care ies de pe CEBAF în formă de circuit.

Magneții deturnează electronii de-a lungul acestui ocol, unde fasciculul se suprapune cu un laser verde între suprafețele reflectorizante din interiorul unei cavități optice rezonante. Când laserul este blocat, fasciculul de electroni se împrăștie cu lumina și creează fotoni de înaltă energie.

Fotonii sunt capturați de un detector, care în acest caz este în esență un cristal cilindric cu un tub fotomultiplicator care trece semnalul luminos către sistemul de achiziție de date.

Diferența dintre numărul de lovituri atunci când electronii sunt inversați de la o stare longitudinală înainte la una înapoi este proporțională cu polarizarea fasciculului. Aceasta presupune că polarizarea laserului este constantă.

„Există o energie maximă atunci când elaborezi cinematica de bază a două lucruri care se lovesc unul de celălalt la viteza aproape a luminii”, a spus co-autorul Allison Zec, care a lucrat în echipa profesorului de fizică Kent Paschke de la Universitatea din Virginia și este acum cercetător postdoctoral la Universitatea din New Hampshire.

Teza ei de doctorat sa concentrat parțial pe polarimetrul Compton din experimentele PREX-II și CREX, pentru care ea a câștigat prestigiosul premiu de teză Jefferson Science Associates 2022.

„Cea mai mare energie pe care o puteți obține este atunci când electronul intră și fotonul vine direct spre el, iar fotonul este împrăștiat la 180 de grade.” spuse Zec. „Asta este ceea ce numim marginea Compton. Totul este măsurat la acea margine Compton și mai jos.”

Adăugați o suită de calcule și controale experimentale și a fost atinsă precizia relativă de 0,36%.

„Practic, stelele se aliniau într-un mod de care aveam nevoie”, a spus Zec, „dar nu fără munca grea pentru a dovedi că am reușit să ajungem acolo. A fost nevoie de puțin noroc, puțin de unsoare de cot, multă atenție, gândire atentă și puțină creativitate.”

Pentru prima dată, precizia a atins nivelul necesar pentru viitoarele experimente emblematice la Jefferson Lab, cum ar fi MOLLER ( Măsurarea unei reacții electroslăbice Lepton-Lepton). MOLLER, care se află în faza de proiectare și construcție, va măsura sarcina slabă a unui electron ca un fel de test al Modelului Standard al fizicii particulelor. Va necesita polarimetrie cu fascicul de electroni cu o precizie relativă de 0,4%.

Modelul standard este o teorie care încearcă să descrie particulele subatomice, cum ar fi quarcii și muonii, împreună cu cele patru forțe fundamentale: puternică, slabă, electromagnetică și gravitațională.

" Lucrurile pe care le puteți calcula cu modelul standard sunt fenomenale”, a spus Dalton.

Dar modelul standard nu este complet.

„Nu explică ce este materia întunecată. Nu explică de unde provine încălcarea CP (paritatea conjugarii sarcinii) sau de ce există în mare parte materie în univers și nu antimaterie”, a continuat Dalton.

Fiecare forță fundamentală poartă o așa-numită „încărcare, „care îi dictează puterea sau cât de puternic simte o particulă forța. Teoreticienii pot folosi modelul standard pentru a calcula sarcina forței slabe asupra electronului, în timp ce MOLLER o va măsura fizic și ar căuta abateri de la teorie.

„Sloganul este întotdeauna „fizica dincolo de modelul standard”” spuse Gaskell. „Căutăm particule sau interacțiuni care ar putea deschide o fereastră către lucruri care lipsesc în descrierea noastră a universului.”

Un alt proiect cu cerințe puternice de polarimetrie este Electron-Ion Collider (EIC), un accelerator de particule care va fi construit la Brookhaven National Laboratory din New York cu ajutorul Jefferson Lab.

EIC va ciocni electronii cu protoni sau cu nuclee atomice mai grele pentru a le investiga funcționarea interioară și a obține o perspectivă asupra forțelor care leagă-le.

„Abia aștept să văd polarimetrul Compton dezvoltat pentru lucruri precum EIC”, a spus Zec. „Aceste cerințe vor fi foarte diferite, deoarece se află într-un ciocnitor, în care aceleași particule trec din când în când. Acest lucru va necesita măsurători suplimentare și precise, deoarece atât de multe dintre aceste experimente trebuie să fie reduse pentru a-și reduce sursele. de incertitudine."

Rezultatul pune, de asemenea, terenul pentru alte experimente de încălcare a parității care vin la Jefferson Lab, cum ar fi SoLID (Dispozitiv de intensitate mare solenoidal).

Aceste experimente propuse sunt discutate în „A New Era of Discovery: The 2023 Long Range Plan for Nuclear Science”. Acest document include prioritățile de cercetare recomandate pentru următorul deceniu în fizica nucleară, așa cum este propus de Comitetul consultativ pentru știința nucleară. NSAC este compus dintr-un grup divers de oameni de știință experți în domeniul nuclear care au fost însărcinați de DOE și Fundația Națională pentru Știință (NSF) să ofere recomandări cu privire la cercetările viitoare în domeniu.

Fizicienii nucleari experimentali se pot simți mult mai încrezători în ceea ce privește rezultatele lor cu această nouă confirmare a polarimetriei de precizie care poate fi obținută cu fasciculele de electroni.

„Este rupt printr-o barieră”, a spus Zec. „Va face rezultatele noastre mai semnificative și va face din Jefferson Lab o facilitate mai puternică pentru a face fizică în viitor.”

(Fluierul)