Forskare får en mer detaljerad titt än någonsin tidigare på de elektroner de använder i precisionsexperiment.
Kärnfysiker med det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility har krossat ett nästan 30 år gammalt rekord för mätning av parallellt spinn inom en elektronstråle - eller elektronstrålepolarimetri, för kort. Prestationen sätter scenen för högprofilerade experiment vid Jefferson Lab som kan öppna dörren till nya fysikupptäckter.
I en artikel publicerad i Physical Review C , ett samarbete mellan Jefferson Lab-forskare och vetenskapliga användare rapporterade en mätning som var mer exakt än ett riktmärke som uppnåddes under 1994-95 körningen av SLAC Large Detector (SLD)-experimentet vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien.
"Ingen har mätt polariseringen av en elektronstråle med denna precision i något labb, var som helst i världen", säger Dave Gaskell, en experimentell kärnfysiker vid Jefferson Lab och en medförfattare på tidningen. "Det är rubriken här. Det här är inte bara ett riktmärke för Compton-polarimetri utan för vilken teknik som helst för elektronpolarisering."
Compton polarimetri innebär att detektera fotoner - ljuspartiklar - spridda av laddade partiklar, såsom elektroner. Den spridningen, alias Compton-effekten, kan uppnås genom att skicka laserljus och en elektronstråle på en kollisionskurs.
Elektroner – och fotoner – har en egenskap som kallas spinn (som fysiker mäter som rörelsemängd). Precis som massa eller elektrisk laddning är spinn en inneboende egenskap hos elektronen. När partiklar snurrar i samma riktning vid en given tidpunkt kallas mängden polarisering. Kunskapen om denna polarisering är avgörande för fysiker som undersöker materiens hjärta på minsta lilla skala.
"Tänk på elektronstrålen som ett verktyg som du använder för att mäta något, som en linjal", säger Mark Macrae Dalton, en annan Jefferson Lab-fysiker och medförfattare på tidningen. "Är det i tum, eller är det i millimeter? Du måste förstå linjalen för att förstå något mått. Annars kan du inte mäta någonting."
Den ultrahöga precisionen uppnåddes under Calcium Radius Experiment (CREX), som genomfördes tillsammans med Lead Radius Experiment (PREX-II) för att undersöka kärnorna hos medelviktiga och tunga atomer för insikt om strukturen av deras "neutronhud" ."
"Neutronhud" hänvisar till fördelningen av protoner och neutroner inom kärnorna hos tätare atomer. Lättare grundämnen - vanligtvis de med ett atomnummer på 20 eller lägre i det periodiska systemet - har ofta lika många protoner och neutroner. Medelviktiga och tunga atomer behöver vanligtvis fler neutroner än protoner för att förbli stabila.
PREX-II och CREX fokuserade på bly-208, som har 82 protoner och 126 neutroner, respektive kalcium-48, som har 20 protoner och 28 neutroner. I dessa atomer samlas ett relativt lika antal protoner och neutroner runt kärnans kärna medan de extra neutronerna pressas till kanten – och bildar ett slags "hud".
Experimenten fastställde att bly-208 har en något tjock neutronhud, vilket leder till implikationer för egenskaperna hos neutronstjärnor. Calcium-48s hud är å andra sidan jämförelsevis tunn och bekräftar vissa teoretiska beräkningar. Dessa mätningar gjordes med en precision av hundratals miljondelar av en nanometer.
PREX-II och CREX körde från 2019 till 2020 i Hall A i Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en unik DOE Office of Science-användaranläggning som stödjer forskning från mer än 1 800 forskare över hela världen.
"CREX- och PREX-II-samarbetet brydde sig om att känna till polariseringen tillräckligt bra för att vi ägnade stråltiden åt att göra en högkvalitativ mätning," sa Gaskell. "Och vi utnyttjade den tiden fullt ut."
Under CREX mättes elektronstrålens polarisation kontinuerligt via Compton polarimetri med en precision på 0,36 %. Det gick förbi de 0,5 % som rapporterades under SLAC:s SLD-experiment.
I dessa termer är det mindre antalet bättre eftersom procentsatserna representerar summan av alla systematiska osäkerheter - de som skapas av ett experiments uppsättning. De kan inkludera absolut strålenergi, positionsskillnader och kunskap om laserpolarisation. Andra källor till osäkerhet är statistiska, vilket innebär att de kan minskas när mer data samlas in.
"Osäkerhet är så grundläggande att det är svårt till och med att beskriva eftersom det inte finns något som vi vet med oändlig precision," sa Dalton. "När vi gör en mätning måste vi lägga en osäkerhet på den. Annars kommer ingen att veta hur den ska tolkas."
I många experiment som involverar CEBAF är den dominerande källan till systematisk osäkerhet kunskap om elektronstrålens polarisering. CREX-teamet använde Compton polarimeter för att få det okända till den lägsta nivå som någonsin rapporterats.
"Ju högre precision, desto strängare ett test har man för teoretisk tolkning. Du måste vara tillräckligt strikt för att konkurrera med andra metoder för att komma åt fysiken i PREX-II och CREX", säger Robert Michaels, Jefferson Labs biträdande ledare för Halls A. /C. "Ett oprecist test skulle inte ha någon vetenskaplig inverkan."
Tänk på Compton-polarimetern som en gropväg för elektroner som kommer från den racerbanaformade CEBAF.
Magneter avleder elektronerna längs denna omväg, där strålen överlappar med en grön laser mellan reflekterande ytor inuti en resonans optisk kavitet. När lasern är låst sprids elektronstrålen med ljuset och skapar högenergifotoner.
Fotonerna fångas upp av en detektor, som i detta fall i huvudsak är en cylindrisk kristall med ett fotomultiplikatorrör som skickar ljussignalen till datainsamlingssystemet.
Skillnaden mellan antalet träffar när elektronerna vänds från ett framåt längsgående tillstånd till ett bakåt är proportionell mot strålens polarisation. Detta förutsätter att laserns polarisering är konstant.
"Det finns en maximal energi när du tränar den grundläggande kinematiken för två saker som smäller in i varandra med nästan ljushastighet", säger medförfattaren Allison Zec, som arbetade på University of Virginia fysikprofessor Kent Paschkes team och nu är postdoktor vid University of New Hampshire.
Hennes doktorsavhandling fokuserade delvis på Compton-polarimetern i PREX-II- och CREX-experimenten, för vilka hon vann det prestigefyllda Jefferson Science Associates-avhandlingspriset 2022.
"Den mest energi du kan få är när elektronen kommer in och fotonen kommer rakt mot den, och fotonen blir spridd i 180 grader," sa Zec. "Det är vad vi kallar Compton-kanten. Allt mäts till den där Compton-kanten och lägre."
Kasta in en uppsättning beräkningar och experimentella kontroller, och den relativa precisionen på 0,36 % uppnåddes.
"Det var i grund och botten stjärnorna som anpassade sig på ett sätt som vi behövde," sa Zec, "men inte utan det hårda arbetet för att bevisa att vi kunde ta oss dit. Det krävdes lite tur, lite armbågsfett, mycket uppmärksamhet, noggrann eftertanke och lite kreativitet."
För första gången nådde precisionen en nivå som krävs för framtida flaggskeppsexperiment vid Jefferson Lab, såsom MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Reaction). MOLLER, som befinner sig i design- och konstruktionsfasen, kommer att mäta den svaga laddningen på en elektron som ett slags test av standardmodellen för partikelfysik. Det kommer att kräva elektronstrålepolarimetri med en relativ precision på 0,4 %.
Standardmodellen är en teori som försöker beskriva subatomära partiklar, såsom kvarkar och myoner, tillsammans med de fyra grundläggande krafterna:stark, svag, elektromagnetisk och gravitation.
"De saker du kan beräkna med standardmodellen är fenomenala," sa Dalton.
Men standardmodellen är inte komplett.
"Det förklarar inte vad mörk materia är. Det förklarar inte var CP (charge conjugation parity) kränkning kommer ifrån, eller varför det mestadels finns materia i universum och inte antimateria," fortsatte Dalton.
Varje fundamental kraft bär på en så kallad "laddning", som dikterar dess styrka eller hur starkt en partikel känner kraften. Teoretiker kan använda standardmodellen för att beräkna den svaga kraftens laddning på elektronen, medan MOLLER fysiskt mäter den och letar efter avvikelser från teorin.
"Slagordet är alltid "fysik bortom standardmodellen", sa Gaskell. "Vi letar efter partiklar eller interaktioner som kan öppna ett fönster till saker som saknas i vår beskrivning av universum."
Ett annat projekt med starka polarimetrikrav är Electron-Ion Collider (EIC), en partikelaccelerator som kommer att byggas vid Brookhaven National Laboratory i New York med hjälp av Jefferson Lab.
EIC kommer att kollidera elektroner med protoner eller tyngre atomkärnor för att undersöka deras inre funktioner och få insikt i de krafter som binder dem.
"Jag kan inte vänta på att se Compton-polarimetern utvecklas för saker som EIC," sa Zec. "De här kraven kommer att vara väldigt olika eftersom det är i en kolliderare, där samma partiklar går igenom då och då. Det kommer att kräva ytterligare, exakta mätningar eftersom så många av dessa experiment måste tömmas ned för att sänka sina källor av osäkerhet."
Resultatet sätter också scenen för andra paritetsbrottsexperiment som kommer till Jefferson Lab, som SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).
Dessa föreslagna experiment diskuteras i "A New Era of Discovery:The 2023 Long Range Plan for Nuclear Science." Detta dokument innehåller rekommenderade forskningsprioriteringar för nästa decennium inom kärnfysik, som föreslagits av Nuclear Science Advisory Committee. NSAC är sammansatt av en mångsidig grupp experter på kärnkraftsforskare som fick i uppdrag av DOE och National Science Foundation (NSF) att ge rekommendationer om framtida forskning inom området.
Experimentella kärnfysiker kan känna sig mycket mer säkra på sina resultat med denna nya bekräftelse på precisionspolarimetrin som kan uppnås med elektronstrålar.
"Den är bruten genom en barriär," sa Zec. "Det kommer att göra våra resultat mer betydelsefulla, och det kommer att göra Jefferson Lab till en starkare anläggning för att göra fysik i framtiden."
Mer information: A. Zec et al, Compton-polarimetri med ultrahög precision vid 2 GeV, Physical Review C (2024). DOI:10.1103/PhysRevC.109.024323
Journalinformation: Fysisk granskning C
Tillhandahålls av Thomas Jefferson National Accelerator Facility
