Overvejer beholderen for at styrke signalet om svage kræfter

Kernefysikere målte med succes protonens svage ladning ved at skyde elektroner mod et koldt flydende brintmål i et eksperiment udført ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Kaldet Q-svag, præcisionseksperimentet bød på mange tekniske udfordringer for fysikerne at løse for dens succesfulde konklusion.

En potentielt forvirrende variabel var selve det kolde flydende brintmål. Målsystemet blev specialdesignet til Q-svag, med omhu for at bygge et system, der kunne holde brinten koldt, selv mens det blev bombarderet af en nådesløs, men præcis stråle af roterende elektroner.

Fysikerne måtte endda overveje, hvilken indflydelse aluminiumsbeholderen, der holdt brinten, ville have på deres resultat. For hans del i løsningen af ​​denne tekniske udfordring og for specialet skrev han om disse bestræbelser, Kurtis Bartlett blev tildelt Jefferson Science Associates Thesis Prize 2018.

Protons svage ladning beskriver, hvor meget den svage kraft, en af ​​universets fire grundlæggende kræfter, virker på protonen.

"Undersøgelse af protonen med en elektron via den svage kraft, det giver dig mulighed for rent faktisk at måle den svage ladning, "Sagde Bartlett.

Men, som navnet antyder, den svage kraft er, godt, svag. Elektroner er langt mere tilbøjelige til at interagere med protoner via den elektromagnetiske kraft, en anden grundlæggende kraft.

Heldigvis, den svage kraft har en unik markør:den krænker en universel symmetri kaldet paritet. En proces, der bevarer paritetssymmetri, forekommer med samme sandsynlighed som dens spejlbillede. Den svage kraft udviser asymmetri for paritetstransformationer.

"Måling af denne asymmetri giver adgang til den svage kraft, " sagde Bartlett. "Men, det er meget svært faktisk at gøre i laboratoriet - det er en matematisk type operation. "

I stedet, Q-weak brugte en stand-in til paritetstransformation. Før elektronerne blev accelereret, de var polariseret, så de alle drejede enten i samme retning som strålen, eller den modsatte retning som strålen.

Fordi den elektromagnetiske kraft bevarer paritetssymmetri, det interagerer på samme måde med elektroner, der snurrer i begge retninger. Men fordi den svage kraft overtræder paritetssymmetri, det interagerer mere med elektroner, der spinder i én retning. Fysikere er i stand til at udnytte denne forskel til at få en måling af protonens svage ladning.

Når man når den måling, imidlertid, var ikke så enkelt. I forsøget, en lille brøkdel af elektroner, som fysikerne måler, rammer faktisk aldrig brintmålet. I stedet, nogle elektroner spredt ud fra aluminiumsbeholderen, der holdt brinten, som forurenede det svage kraftsignal, fysikerne forsøgte at måle.

Det var her, Bartlett kom ind. Hans opgave var at minimere denne signalforurening ved at bestemme, hvor meget af det målte signal, der kom fra aluminiumsmålbeholderen.

"Jeg gik gennem processen med at forstå, hvordan man korrigerer vores målte værdier, "sagde Bartlett.

For at gøre det, Q-weak fjernede brintmålet for nogle løb, erstatte det med et stykke aluminium identisk med beholderen. Så skød Q-weak igen polariserede elektroner mod målet, undtagen i stedet for at måle paritetsasymmetri ved hjælp af en proton af hydrogen, Bartlett målte paritetsasymmetri ved hjælp af en aluminiumskerne.

"Det er første gang, at denne type asymmetri nogensinde er blevet målt, hvilket er en ret spændende ting, " han sagde.

Bartlett arbejdede på sit speciale, "Første målinger af de paritetsovertrædende og strålenormale enkelt-spin-asymmetrier i elastisk elektron-aluminiumspredning, " på Jefferson Lab, mens han forfulgte sin Ph.D. i eksperimentel kernefysik ved William &Mary. Hans specialevejleder var Wouter Deconinck, en assisterende professor i fysik hos William &Mary, som også arbejdede på Q-weak-eksperimentet.

Bartlett præsenterede sit speciale for Jefferson Lab Users Organization Board of Directors, der fører tilsyn med JSA Thesis Prize -tildelingsprocessen. Brugere er videnskabsmænd fra hele USA og verden over, som udfører fundamentale kernefysiske eksperimenter med Jefferson Labs forskningsfaciliteter og -kapaciteter.

"Jeg var spændt på at høre nyheden om, at jeg havde vundet, og jeg er meget beæret over at modtage den, " sagde Bartlett. "Selvom jeg modtog denne pris for min afhandling, det er meget en gruppeindsats, og jeg vil fremhæve, at Q-weak som helhed involverede mange videnskabsmænd, ingeniører, teknikere og administrativt personale til at få det hele gjort. "

JSA Thesis Prize uddeles årligt for den bedste ph.d. studenteropgave om forskning relateret til Jefferson Lab videnskab, og det inkluderer en $ 2, 500 kontantpræmie og en mindeplade. Nomineringer bedømmes ud fra fire kriterier:kvaliteten af ​​det skriftlige arbejde, den studerendes bidrag til forskningen, værkets indvirkning på fysikområdet, og service (hvordan arbejdet gavner Jefferson Lab eller andre eksperimenter).

Southeastern Universities Research Association etablerede JSA Thesis Prize i 1999. Det er nu et af mange projekter, der støttes af JSA Initiatives Fund Program, som blev etableret af Jefferson Science Associates for at støtte programmer, initiativer og aktiviteter, der fremmer den videnskabelige opsøgning, og fremme videnskaben, uddannelses- og teknologimissioner fra Jefferson Lab på måder, der supplerer dets grundlæggende og anvendte forskningsfokus.

"Kandidatstuderende er drivkraften for enhver forskningsvirksomhed, så Jefferson Lab Brugerorganisation er stolte over at give specialet prisen i år igen. Vi takker JSA for at yde støtte til denne pris, " sagde Julie Roche, 2018-2019 JLUO-stolen og professor ved Ohio University. "Som sædvanligt, de indsendte afhandlinger var af meget høj kvalitet og gjorde det til noget af en udfordring at vælge en vinder. Jeg vil gerne takke udvælgelseskomitéen ledet af University of Virginia professor Kent Paschke for dens omhyggelige undersøgelse af indsendelserne. Til sidst, vi er glade for at anerkende Kurtis' arbejde."

Bartlett er i øjeblikket postdoktoral forskningsassistent for Space Science and Application Group ved DOE's Los Alamos National Laboratory, hvor han udvikler rumfartøjsdetektorer, der måler stråling for at hjælpe med at bestemme sammensætningen af ​​planetariske legemer.

"Selvom jeg er ved at udvikle hardware nu, Jeg bruger stadig de færdigheder, der er udviklet i min afhandlingsforskning, " sagde Bartlett.