Kärnfysiker mätte framgångsrikt protonens svaga laddning genom att skjuta elektroner mot ett kallt flytande vätemål i ett experiment som genomfördes vid Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Dubbad Q-svag, precisionsexperimentet innehöll många tekniska utmaningar för fysikerna att lösa för sitt framgångsrika slut.

En potentiellt förvirrande variabel var själva kallvätskemålet. Målsystemet var specialdesignat för Q-svaga, var noga med att bygga ett system som kunde hålla vätet kallt även när det bombades av en skoningslös men ändå exakt stråle av snurrande elektroner.

Fysikerna fick till och med överväga vilken inverkan aluminiumbehållaren som innehöll vätet skulle få på deras resultat. För hans del i att lösa denna tekniska utmaning och för avhandlingen han skrev om dessa insatser, Kurtis Bartlett tilldelades 2018 Jefferson Science Associates Thesis Prize.

Protons svaga laddning beskriver hur mycket den svaga kraften, en av universums fyra grundkrafter, verkar på protonen.

"Sondar protonen med en elektron via den svaga kraften, det låter dig faktiskt mäta den svaga laddningen, "Sa Bartlett.

Men, som namnet antyder, den svaga kraften är, väl, svag. Elektroner är mycket mer benägna att interagera med protoner via den elektromagnetiska kraften, en annan grundläggande kraft.

Lyckligtvis, den svaga kraften har en unik markör:den bryter mot en universell symmetri som kallas paritet. En process som bevarar paritetssymmetri sker med samma sannolikhet som dess spegelbild. Den svaga kraften uppvisar asymmetri för paritetstransformationer.

"Att mäta denna asymmetri ger tillgång till den svaga kraften, "Sa Bartlett." Men det är väldigt svårt att faktiskt göra i laboratoriet - det är en matematisk typ av operation. "

Istället, Q-weak använde en stand-in för paritetstransformation. Innan elektronerna accelererades, de var polariserade så att de alla snurrade antingen i samma riktning som strålen, eller motsatt riktning som strålen.

Eftersom den elektromagnetiska kraften bevarar paritetssymmetri, den interagerar på samma sätt med elektroner som snurrar åt båda hållen. Men eftersom den svaga kraften bryter mot paritetssymmetri, den interagerar mer med elektroner som snurrar i en riktning. Fysiker kan utnyttja denna skillnad för att få en mätning av protonens svaga laddning.

Att nå den mätningen, dock, var inte så enkelt. I experimentet, en liten del av elektronerna som fysikerna mäter träffar aldrig vätemålet. Istället, några elektroner spridda från aluminiumbehållaren som innehöll vätet, som förorenade den svaga kraftsignal som fysikerna försökte mäta.

Det var där Bartlett kom in. Hans uppgift var att minimera denna signalförorening genom att bestämma hur mycket av den uppmätta signalen som kom från aluminiumbehållaren.

"Jag gick igenom processen för att förstå hur vi korrigerar våra mätvärden, sa Bartlett.

Att göra så, Q-svag tog bort vätemålet för några körningar, ersätt den med en bit aluminium som är identisk med behållaren. Sedan sköt Q-svag igen polariserade elektroner mot målet, utom i stället för att mäta paritetsasymmetri med en väteproton, Bartlett mätte paritetsasymmetri med hjälp av en aluminiumkärna.

"Det är första gången som någon typ av asymmetri någonsin har mätts, vilket är en ganska spännande grej, " han sa.

Bartlett arbetade med sin avhandling, "Första mätningarna av paritetsbrott och strålningsnormala enkelspinnade asymmetrier vid elastisk elektron-aluminiumspridning, "på Jefferson Lab medan han fortsatte sin doktorsexamen i experimentell kärnfysik vid William &Mary. Hans avhandlingsrådgivare var Wouter Deconinck, en biträdande professor i fysik vid William &Mary som också arbetade med det Q-svaga experimentet.

Bartlett presenterade sitt avhandlingsarbete för Jefferson Lab Users Organization Board of Directors, som övervakar JSA Thesis Prize -processen. Användare är forskare från hela USA och över hela världen som utför grundläggande kärnfysiska experiment med Jefferson Labs forskningsanläggningar och kapacitet.

"Jag var glad att höra nyheten att jag hade vunnit, och jag är mycket hedrad att få det, "Bartlett sa." Även om jag fick detta pris för min avhandling, det är mycket en gruppinsats, och jag vill lyfta fram att Q-svaga som helhet involverade många forskare, ingenjörer, tekniker och administrativ personal för att få allt gjort. "

JSA Thesis Prize delas ut årligen för bästa doktorsexamen. studentavhandling om forskning relaterad till Jefferson Lab -vetenskap, och det inkluderar en $ 2, 500 kontantpris och en minnesplakett. Nomineringar bedöms utifrån fyra kriterier:kvaliteten på det skrivna arbetet, studentens bidrag till forskningen, verkets inverkan på fysikområdet, och service (hur arbetet gynnar Jefferson Lab eller andra experiment).

Southeastern Universities Research Association inrättade JSA Thesis Prize 1999. Det är nu ett av många projekt som stöds av JSA Initiatives Fund Program, som grundades av Jefferson Science Associates för att stödja program, initiativ och aktiviteter som främjar den vetenskapliga uppsökningen, och främja vetenskapen, utbildning och teknikuppdrag från Jefferson Lab på sätt som kompletterar dess grundläggande och tillämpade forskningsfokus.

"Doktorander är drivkraften för alla forskningsföretag, så Jefferson Lab User Organization är stolta över att kunna dela ut avhandlingspriset i år igen. Vi tackar JSA för att ge stöd för detta pris, "sa Julie Roche, 2018-2019 JLUO-ordförande och professor vid Ohio University. "Som vanligt, de inlämnade avhandlingarna var av mycket hög kvalitet och gjorde beslutet om en vinnare en ganska utmaning. Jag vill tacka urvalskommittén som leds av professor Kent Paschke vid University of Virginia för dess noggranna granskning av ansökningarna. I slutet, Vi är glada över att känna igen Kurtis arbete. "

Bartlett är för närvarande en postdoktoral forskningsassistent för Space Science and Application Group vid DOE:s Los Alamos National Laboratory, där han utvecklar rymdfarkostdetektorer som mäter strålning för att bestämma sammansättningen av planetkroppar.

"Även om jag utvecklar hårdvara nu, Jag använder fortfarande kompetensuppsättningen som utvecklats i min avhandling, "Sa Bartlett.