Kernfysici hebben met succes de zwakke lading van het proton gemeten door elektronen op een koud vloeibaar waterstofdoel te schieten in een experiment dat werd uitgevoerd in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy. Nagesynchroniseerd Q-zwak, het precisie-experiment bevatte veel technische uitdagingen voor de natuurkundigen om op te lossen voor de succesvolle afronding ervan.

Een potentieel verstorende variabele was het doel van koude vloeibare waterstof zelf. Het doelsysteem is speciaal ontworpen voor Q-weak, met de nodige zorg om een ​​systeem te bouwen dat de waterstof koud kon houden, zelfs terwijl het werd gebombardeerd door een genadeloze maar nauwkeurige straal van ronddraaiende elektronen.

De natuurkundigen moesten zelfs overwegen welke impact de aluminium container met de waterstof zou hebben op hun resultaat. Voor zijn aandeel in het oplossen van deze technische uitdaging en voor het proefschrift dat hij over deze inspanningen schreef, Kurtis Bartlett ontving in 2018 de Jefferson Science Associates Thesis Prize.

De zwakke lading van het proton beschrijft hoeveel de zwakke kracht, een van de vier fundamentele krachten van het universum, werkt op het proton.

"Het proton met een elektron onderzoeken via de zwakke kracht, het stelt u in staat om de zwakke lading daadwerkelijk te meten, ' zei Bartlett.

Maar, zoals de naam al aangeeft, de zwakke kracht is, goed, zwak. Elektronen hebben veel meer kans om te interageren met protonen via de elektromagnetische kracht, een andere fundamentele kracht.

Gelukkig, de zwakke kracht heeft een unieke marker:het schendt een universele symmetrie die pariteit wordt genoemd. Een proces dat de pariteitssymmetrie behoudt, vindt plaats met dezelfde waarschijnlijkheid als zijn spiegelbeeld. De zwakke kracht vertoont asymmetrie voor pariteitstransformaties.

"Het meten van deze asymmetrie geeft toegang tot de zwakke kracht, "Zei Bartlett. "Echter, het is heel moeilijk om het in het laboratorium te doen - het is een wiskundige bewerking."

In plaats daarvan, Q-weak gebruikte een stand-in voor pariteitstransformatie. Voordat de elektronen werden versneld, ze waren gepolariseerd zodat ze allemaal in dezelfde richting draaiden als de straal, of de tegenovergestelde richting als de straal.

Omdat de elektromagnetische kracht de pariteitssymmetrie behoudt, het interageert op dezelfde manier met elektronen die in beide richtingen draaien. Maar omdat de zwakke kracht de pariteitssymmetrie schendt, het interageert meer met elektronen die in één richting draaien. Natuurkundigen kunnen dit verschil benutten om de zwakke lading van het proton te meten.

Het bereiken van die meting, echter, was niet zo eenvoudig. In het experiment, een klein deel van de elektronen die de natuurkundigen meten, bereikt nooit het waterstofdoel. In plaats daarvan, sommige elektronen verspreidden zich van de aluminium container die de waterstof bevatte, die het zwakke krachtsignaal besmetten dat de natuurkundigen probeerden te meten.

Daar kwam Bartlett om de hoek kijken. Zijn taak was om deze signaalverontreiniging te minimaliseren door te bepalen hoeveel van het gemeten signaal afkomstig was van de aluminium doelcontainer.

"Ik heb het proces doorlopen om te begrijpen hoe we onze gemeten waarden kunnen corrigeren, ' zei Bartlett.

Om dit te doen, Q-weak verwijderde het waterstofdoel voor enkele runs, vervangen door een stuk aluminium dat identiek is aan de container. Toen schoot Q-weak opnieuw gepolariseerde elektronen op het doel, behalve in plaats van het meten van pariteitsasymmetrie met behulp van een proton van waterstof, Bartlett mat pariteitsasymmetrie met behulp van een aluminiumkern.

"Het is de eerste keer dat dit type asymmetrie ooit is gemeten, wat best spannend is, " hij zei.

Bartlett werkte aan zijn proefschrift, "Eerste metingen van de pariteitsschendende en bundel-normale single-spin asymmetrieën in elastische elektronen-aluminiumverstrooiing, " bij Jefferson Lab terwijl hij promoveerde in experimentele kernfysica bij William &Mary. Zijn thesisadviseur was Wouter Deconinck, een assistent-professor natuurkunde bij William &Mary die ook aan het Q-weak-experiment werkte.

Bartlett presenteerde zijn proefschrift aan de raad van bestuur van de Jefferson Lab Users Organization, die toezicht houden op het toekenningsproces van de JSA Thesis Prize. Gebruikers zijn wetenschappers uit de hele VS en wereldwijd die fundamentele kernfysica-experimenten uitvoeren met de onderzoeksfaciliteiten en -capaciteiten van Jefferson Lab.

"Ik was opgewonden om het nieuws te horen dat ik had gewonnen, en ik ben zeer vereerd om het te ontvangen, "Zei Bartlett. "Hoewel ik deze prijs ontving voor mijn proefschrift, het is heel erg een groepsinspanning, en ik wil benadrukken dat bij Q-weak als geheel veel wetenschappers betrokken waren, ingenieurs, technici en administratief personeel om het allemaal voor elkaar te krijgen."

De JSA Scriptieprijs wordt jaarlijks uitgereikt voor de beste Ph.D. studentenscriptie over onderzoek gerelateerd aan Jefferson Lab-wetenschap, en het omvat een $2, 500 geldprijs en een gedenkplaat. Nominaties worden beoordeeld op vier criteria:de kwaliteit van het geschreven werk, de bijdrage van de student aan het onderzoek, de impact van het werk op het gebied van de natuurkunde, en service (hoe het werk Jefferson Lab of andere experimenten ten goede komt).

De Southeastern Universities Research Association heeft in 1999 de JSA Thesis Prize in het leven geroepen. Het is nu een van de vele projecten die worden ondersteund door het JSA Initiatives Fund Program, die is opgericht door Jefferson Science Associates om programma's te ondersteunen, initiatieven en activiteiten die het wetenschappelijke bereik bevorderen, en de wetenschap promoten, onderwijs- en technologiemissies van Jefferson Lab op een manier die een aanvulling vormt op de focus op fundamenteel en toegepast onderzoek.

"Afgestudeerde studenten zijn de drijvende kracht achter elke onderzoeksonderneming, dus de Jefferson Lab User Organization is trots om ook dit jaar de scriptieprijs weer uit te reiken. Wij danken JSA voor het verlenen van steun aan deze prijs, " zei Julie Roche, de JLUO-voorzitter en professor 2018-2019 aan de Ohio University. "Zoals gewoonlijk, de ingezonden scripties waren van zeer hoge kwaliteit en maakten het een hele uitdaging om een ​​winnaar te kiezen. Ik wil de selectiecommissie onder leiding van professor Kent Paschke van de Universiteit van Virginia bedanken voor het zorgvuldige onderzoek van de inzendingen. Uiteindelijk, we zijn verheugd om het werk van Kurtis te erkennen."

Bartlett is momenteel een postdoctoraal onderzoeksmedewerker voor de Space Science and Application Group bij DOE's Los Alamos National Laboratory, waar hij ruimtevaartuigdetectoren ontwikkelt die straling meten om de samenstelling van planetaire lichamen te helpen bepalen.

"Hoewel ik nu hardware ontwikkel, Ik gebruik nog steeds de vaardigheden die ik in mijn proefschriftonderzoek heb ontwikkeld, ' zei Bartlett.