Laserfokuseret kig på roterende elektroner slår verdensrekord for præcision

Forskere får et mere detaljeret kig end nogensinde før på de elektroner, de bruger i præcisionseksperimenter.

Kernefysikere med det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility har knust en næsten 30 år gammel rekord for måling af parallelt spin inden for en elektronstråle - eller forkortet elektronstrålepolarimetri. Præstationen sætter scenen for højprofilerede eksperimenter på Jefferson Lab, der kan åbne døren til nye fysikopdagelser.

I et papir offentliggjort i Physical Review C , et samarbejde mellem Jefferson Lab-forskere og videnskabelige brugere rapporterede en måling, der var mere præcis end et benchmark opnået under 1994-95-kørslen af ​​SLAC Large Detector (SLD)-eksperimentet ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien.

"Ingen har målt polariseringen af ​​en elektronstråle til denne præcision på noget laboratorium, hvor som helst i verden," sagde Dave Gaskell, en eksperimentel kernefysiker ved Jefferson Lab og en medforfatter på papiret. "Det er overskriften her. Dette er ikke kun et benchmark for Compton-polarimetri, men for enhver teknik til måling af elektronpolarisering."

Compton polarimetri involverer detektering af fotoner - lyspartikler - spredt af ladede partikler, såsom elektroner. Denne spredning, også kendt som Compton-effekten, kan opnås ved at sende laserlys og en elektronstråle på kollisionskurs.

Elektroner - og fotoner - bærer en egenskab kaldet spin (som fysikere måler som vinkelmomentum). Ligesom masse eller elektrisk ladning er spin en iboende egenskab ved elektronen. Når partikler spinder i samme retning på et givet tidspunkt, er mængden kendt som polarisering. Viden om denne polarisering er afgørende for fysikere, der sonderer stoffets hjerte på de mindste skalaer.

"Tænk på elektronstrålen som et værktøj, du bruger til at måle noget, som en lineal," sagde Mark Macrae Dalton, en anden Jefferson Lab-fysiker og medforfatter på papiret. "Er det i tommer, eller er det i millimeter? Du skal forstå linealen for at forstå enhver måling. Ellers kan du ikke måle noget."

Frynsefordele

Den ultrahøje præcision blev opnået under Calcium Radius Experiment (CREX), udført i tandem med Lead Radius Experiment (PREX-II) for at sondere kernerne af mellemvægtige og tunge atomer for at få indsigt i strukturen af ​​deres "neutronhud" ."

"Neutronhud" refererer til fordelingen af ​​protoner og neutroner i kernerne af tættere atomer. Lettere grundstoffer - generelt dem med et atomnummer på 20 eller lavere i det periodiske system - har ofte lige mange protoner og neutroner. Mellemvægtige og tunge atomer har typisk brug for flere neutroner end protoner for at forblive stabile.

PREX-II og CREX fokuserede på henholdsvis bly-208, som har 82 protoner og 126 neutroner, og calcium-48, som har 20 protoner og 28 neutroner. I disse atomer samler et relativt lige antal protoner og neutroner sig omkring kernen af ​​kernen, mens de ekstra neutroner bliver skubbet til kanten – og danner en slags "hud".

Eksperimenterne viste, at bly-208 har en noget tyk neutronhud, hvilket fører til implikationer for neutronstjernernes egenskaber. Calcium-48s hud er på den anden side forholdsvis tynd og bekræfter nogle teoretiske beregninger. Disse målinger blev foretaget med en præcision på hundreder af milliontedele af en nanometer.

PREX-II og CREX kørte fra 2019 til 2020 i Hal A i Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en unik DOE Office of Science-brugerfacilitet, der understøtter forskning fra mere end 1.800 videnskabsmænd verden over.

"CREX og PREX-II-samarbejdet bekymrede sig om at kende polariseringen godt nok til, at vi dedikerede stråletiden til at foretage en måling af høj kvalitet," sagde Gaskell. "Og vi udnyttede den tid fuldt ud."

Vis usikkerhed

Under CREX blev elektronstrålens polarisering kontinuerligt målt via Compton polarimetri med en præcision på 0,36 %. Det blæste forbi de 0,5 %, der blev rapporteret under SLAC's SLD-eksperiment.

I disse termer er det mindre tal bedre, fordi procenterne repræsenterer summen af ​​alle systematiske usikkerheder - dem, der er skabt af et eksperimentopsætning. De kan omfatte absolut stråleenergi, positionsforskelle og viden om laserpolarisering. Andre kilder til usikkerhed er statistiske, hvilket betyder, at de kan reduceres, efterhånden som der indsamles flere data.

"Usikkerhed er så grundlæggende, at det er svært endda at beskrive, fordi der ikke er noget, vi ved med uendelig præcision," sagde Dalton. "Når vi foretager en måling, er vi nødt til at sætte en usikkerhed på den. Ellers vil ingen vide, hvordan den skal fortolkes."

I mange eksperimenter, der involverer CEBAF, er den dominerende kilde til systematisk usikkerhed viden om elektronstrålens polarisering. CREX-holdet brugte Compton polarimeter til at bringe det ukendte til det laveste niveau, der nogensinde er rapporteret.

"Jo højere præcision, desto strengere en test har man til teoretisk fortolkning. Du skal være streng nok til at konkurrere med andre metoder til at få adgang til fysikken i PREX-II og CREX," sagde Robert Michaels, Jefferson Labs næstformand for Halls A. /C. "En upræcis test ville ikke have nogen videnskabelig effekt."

Sådan blev det gjort

Tænk på Compton-polarimeteret som en pit-vej for elektroner, der kommer fra den racerbaneformede CEBAF.

Magneter afleder elektronerne langs denne omvej, hvor strålen overlapper med en grøn laser mellem reflekterende overflader inde i et optisk resonanshulrum. Når laseren er låst, spredes elektronstrålen med lyset og skaber højenergifotoner.

Fotonerne fanges af en detektor, som i dette tilfælde i det væsentlige er en cylindrisk krystal med et fotomultiplikatorrør, der sender lyssignalet til dataopsamlingssystemet.

Forskellen mellem antallet af hits, når elektronerne vendes fra en fremadgående langsgående tilstand til en bagudrettet, er proportional med strålens polarisering. Dette forudsætter, at laserens polarisering er konstant.

"Der er en maksimal energi, når du træner den grundlæggende kinematik af to ting, der slår ind i hinanden ved næsten lyshastighed," sagde medforfatter Allison Zec, der arbejdede på University of Virginia fysikprofessor Kent Paschkes team og nu er postdoc-forsker ved University of New Hampshire.

Hendes doktorafhandling fokuserede til dels på Compton-polarimeteret i PREX-II- og CREX-eksperimenterne, for hvilke hun vandt den prestigefyldte Jefferson Science Associates-afhandlingspris 2022.

"Den mest energi, du kan få, er, når elektronen kommer ind, og fotonen kommer direkte på den, og fotonen bliver spredt ved 180 grader," sagde Zec. "Det er det, vi kalder Compton-kanten. Alt er målt til den Compton-kant og lavere."

Indsæt en række beregninger og eksperimentelle kontroller, og den relative præcision på 0,36 % blev opnået.

"Det var dybest set stjernerne på en måde, som vi havde brug for," sagde Zec, "men ikke uden det hårde arbejde for at bevise, at vi var i stand til at nå dertil. Det krævede lidt held, en lille smule albuefedt, en masse opmærksomhed, omhyggelig eftertanke og en lille smule kreativitet."

Set scenen

For første gang nåede præcisionen et niveau, der kræves til fremtidige flagskibseksperimenter på Jefferson Lab, såsom MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Reaction). MOLLER, som er i design- og konstruktionsfasen, vil måle den svage ladning på en elektron som en slags test af partikelfysikkens standardmodel. Det vil kræve elektronstrålepolarimetri med en relativ præcision på 0,4 %.

Standardmodellen er en teori, der forsøger at beskrive subatomære partikler, såsom kvarker og myoner, sammen med de fire grundlæggende kræfter:stærk, svag, elektromagnetisk og tyngdekraft.

"De ting, du kan beregne med standardmodellen, er fænomenale," sagde Dalton.

Men standardmodellen er ikke komplet.

"Det forklarer ikke, hvad mørkt stof er. Det forklarer ikke, hvor CP (charge conjugation parity) krænkelse kommer fra, eller hvorfor der for det meste er stof i universet og ikke antistof," fortsatte Dalton.

Hver grundlæggende kraft bærer en såkaldt "ladning", som dikterer dens styrke eller hvor stærkt en partikel føler kraften. Teoretikere kan bruge standardmodellen til at beregne den svage krafts ladning på elektronen, mens MOLLER fysisk ville måle den og se efter afvigelse fra teorien.

"Slagordet er altid 'fysik hinsides standardmodellen'," sagde Gaskell. "Vi leder efter partikler eller interaktioner, der kan åbne et vindue til ting, der mangler i vores beskrivelse af universet."

Et andet projekt med stærke polarimetrikrav er Electron-Ion Collider (EIC), en partikelaccelerator, der vil blive bygget ved Brookhaven National Laboratory i New York med hjælp fra Jefferson Lab.

EIC'en vil kollidere elektroner med protoner eller tungere atomkerner for at undersøge deres indre funktion og få indsigt i de kræfter, der binder dem.

"Jeg kan ikke vente med at se Compton polarimeter blive udviklet til ting som EIC," sagde Zec. "De krav kommer til at være meget forskellige, fordi det er i en kolliderer, hvor de samme partikler går igennem med jævne mellemrum. Det vil kræve yderligere, præcise målinger, fordi så mange af disse eksperimenter skal have det tæmmet ned for at sænke deres kilder. af usikkerhed."

Resultatet sætter også scenen for andre paritetskrænkelseseksperimenter, der kommer til Jefferson Lab, såsom SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).

Disse foreslåede eksperimenter er diskuteret i "A New Era of Discovery:The 2023 Long Range Plan for Nuclear Science." Dette dokument indeholder anbefalede forskningsprioriteter for det næste årti inden for nuklear fysik, som foreslået af Nuclear Science Advisory Committee. NSAC er sammensat af en mangfoldig gruppe af eksperter i atomkraftforskere, som af DOE og National Science Foundation (NSF) fik til opgave at give anbefalinger om fremtidig forskning på området.

Eksperimentelle kernefysikere kan føle sig meget mere sikre på deres resultater med denne nye bekræftelse af den præcisionspolarimetri, der kan opnås med elektronstråler.

"Det er brudt gennem en barriere," sagde Zec. "Det vil gøre vores resultater mere betydningsfulde, og det vil gøre Jefferson Lab til en stærkere facilitet til at lave fysik i fremtiden."

Flere oplysninger: A. Zec et al, Compton-polarimetri med ultrahøj præcision ved 2 GeV, Physical Review C (2024). DOI:10.1103/PhysRevC.109.024323

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang C

Leveret af Thomas Jefferson National Accelerator Facility