Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Lasergerichte blik op draaiende elektronen verbrijzelt het wereldrecord voor precisie

Compton-polarimetrie omvat het detecteren van fotonen (lichtdeeltjes) die worden verstrooid door geladen deeltjes, zoals elektronen. Die verstrooiing, ook wel het Compton-effect genoemd, kan worden bereikt door laserlicht en een elektronenbundel op ramkoers te sturen.

Elektronen (en fotonen) hebben een eigenschap die spin wordt genoemd (die natuurkundigen meten als impulsmoment). Net als massa of elektrische lading is spin een intrinsieke eigenschap van het elektron. Wanneer deeltjes op een bepaald moment in dezelfde richting draaien, staat de hoeveelheid bekend als polarisatie. Kennis van die polarisatie is cruciaal voor natuurkundigen die de kern van de materie op de kleinste schaal willen onderzoeken.

"Beschouw de elektronenstraal als een hulpmiddel dat je gebruikt om iets te meten, zoals een liniaal", zegt Mark Macrae Dalton, een andere natuurkundige en co-auteur van het Jefferson Lab. "Is het in inches of in millimeters? Je moet de liniaal begrijpen om welke maat dan ook te begrijpen. Anders kun je niets meten."

Extra voordeel

De ultrahoge precisie werd bereikt tijdens het Calcium Radius Experiment (CREX), uitgevoerd in combinatie met het Lead Radius Experiment (PREX-II) om de kernen van middelzware en zware atomen te onderzoeken voor inzicht in de structuur van hun ‘neutronenhuid’. ."

"Neutronenhuid" verwijst naar de verdeling van protonen en neutronen binnen de kernen van dichtere atomen. Lichtere elementen – meestal die met een atoomnummer van 20 of lager in het periodiek systeem – hebben vaak een gelijk aantal protonen en neutronen. Middelzware en zware atomen hebben doorgaans meer neutronen dan protonen nodig om stabiel te blijven.

PREX-II en CREX concentreerden zich respectievelijk op lood-208, dat 82 protonen en 126 neutronen heeft, en calcium-48, dat 20 protonen en 28 neutronen heeft. In deze atomen clusteren relatief gelijke aantallen protonen en neutronen rond de kern van de kern, terwijl de extra neutronen naar de rand worden geduwd, waardoor een soort 'huid' ontstaat.

Uit de experimenten bleek dat lood-208 een ietwat dikke neutronenhuid heeft, wat implicaties heeft voor de eigenschappen van neutronensterren. De huid van Calcium-48 is daarentegen relatief dun en bevestigt enkele theoretische berekeningen. Deze metingen zijn uitgevoerd met een nauwkeurigheid van honderden miljoensten van een nanometer.

PREX-II en CREX liepen van 2019 tot 2020 in hal A van de Continuous Electron Beam Accelerator Facility van Jefferson Lab, een unieke DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit die het onderzoek van meer dan 1.800 wetenschappers wereldwijd ondersteunt.

"De samenwerking tussen CREX en PREX-II vond het belangrijk om de polarisatie zo goed te kennen dat we de straaltijd hebben besteed aan het uitvoeren van een hoogwaardige meting", aldus Gaskell. "En die tijd hebben we ten volle benut."

Bepaalde onzekerheid

Tijdens CREX werd de polarisatie van de elektronenbundel continu gemeten via Compton-polarimetrie met een nauwkeurigheid van 0,36%. Dat overtrof de 0,5% die werd gerapporteerd tijdens het SLD-experiment van SLAC.

In deze termen is het kleinere getal beter omdat de percentages de som vertegenwoordigen van alle systematische onzekerheden – die gecreëerd door de opzet van een experiment. Ze kunnen absolute straalenergie, positieverschillen en kennis van laserpolarisatie omvatten. Andere bronnen van onzekerheid zijn van statistische aard, wat betekent dat ze kunnen worden verminderd naarmate er meer gegevens worden verzameld.

"Onzekerheid is zo fundamenteel dat het zelfs moeilijk te beschrijven is, omdat we niets met oneindige precisie weten", zei Dalton. "Elke keer dat we een meting doen, moeten we er een onzekerheid aan verbinden. Anders weet niemand hoe we deze moeten interpreteren."

In veel experimenten met CEBAF is de dominante bron van systematische onzekerheid de kennis van de polarisatie van de elektronenbundel. Het CREX-team gebruikte de Compton-polarimeter om dat onbekende naar het laagste niveau te brengen dat ooit is gerapporteerd.

"Hoe hoger de nauwkeurigheid, des te strenger de test die men heeft voor de theoretische interpretatie. Je moet streng genoeg zijn om te concurreren met andere methoden om toegang te krijgen tot de fysica van PREX-II en CREX", zegt Robert Michaels, plaatsvervangend leider van Jefferson Lab voor Halls A /C. "Een onnauwkeurige test zou geen wetenschappelijke impact hebben."

Hoe het werd gedaan

Beschouw de Compton-polarimeter als een pitstraat voor elektronen die van de racebaanvormige CEBAF komen.

Magneten leiden de elektronen langs deze omweg af, waar de straal overlapt met een groene laser tussen reflecterende oppervlakken in een resonante optische holte. Wanneer de laser is vergrendeld, verstrooit de elektronenbundel met het licht en ontstaan ​​er hoogenergetische fotonen.

De fotonen worden opgevangen door een detector, die in dit geval in wezen een cilindrisch kristal is met een fotovermenigvuldigingsbuis die het lichtsignaal doorgeeft aan het data-acquisitiesysteem.

Het verschil tussen het aantal treffers wanneer de elektronen worden omgedraaid van een voorwaartse longitudinale toestand naar een achterwaartse toestand is evenredig met de polarisatie van de straal. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de polarisatie van de laser constant is.

"Er is een maximale energie wanneer je de basiskinematica uitwerkt van twee dingen die met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar botsen", zegt co-auteur Allison Zec, die werkte aan het team van natuurkundeprofessor Kent Paschke van de Universiteit van Virginia en nu een postdoctoraal onderzoeker is bij de Universiteit van New Hampshire.

Haar proefschrift richtte zich deels op de Compton-polarimeter in de PREX-II- en CREX-experimenten, waarvoor ze in 2022 de prestigieuze Jefferson Science Associates Thesis Prize won.

"De meeste energie die je kunt krijgen is wanneer het elektron binnenkomt en het foton er recht op af komt, en het foton over 180 graden wordt verspreid", zei Zec. "Dat noemen we de Compton-rand. Alles wordt gemeten tot aan die Compton-rand en lager."

Voeg daar een reeks berekeningen en experimentele controles aan toe en de relatieve nauwkeurigheid van 0,36% werd bereikt.

‘Het waren eigenlijk de sterren die op één lijn stonden op een manier die we nodig hadden,’ zei Zec, ‘maar niet zonder het harde werk om te bewijzen dat we daar konden komen. Het vergde een beetje geluk, een beetje elleboogvet, veel opletten, goed nadenken en een beetje creativiteit."

Het podium instellen

Voor het eerst bereikte de nauwkeurigheid een niveau dat vereist is voor toekomstige vlaggenschipexperimenten in het Jefferson Lab, zoals MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Reaction). MOLLER, dat zich in de ontwerp- en bouwfase bevindt, gaat de zwakke lading van een elektron meten als een soort test van het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Hiervoor is elektronenstraalpolarimetrie nodig met een relatieve nauwkeurigheid van 0,4%.

Het Standaardmodel is een theorie die probeert subatomaire deeltjes, zoals quarks en muonen, te beschrijven, samen met de vier fundamentele krachten:sterk, zwak, elektromagnetisch en zwaartekracht.

"De dingen die je kunt berekenen met het Standaardmodel zijn fenomenaal", zei Dalton.

Maar het Standaardmodel is niet compleet.

"Het verklaart niet wat donkere materie is. Het verklaart niet waar de schending van de CP (charge conjugation parity) vandaan komt, of waarom er voornamelijk materie in het universum is en geen antimaterie," vervolgde Dalton.

Elke fundamentele kracht draagt ​​een zogenaamde ‘lading’ met zich mee, die de sterkte ervan bepaalt of hoe sterk een deeltje de kracht voelt. Theoretici kunnen het standaardmodel gebruiken om de lading van de zwakke kracht op het elektron te berekenen, terwijl MOLLER deze fysiek zou meten en zou zoeken naar afwijkingen van de theorie.

"De slogan is altijd 'natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel'", zei Gaskell. "We zijn op zoek naar deeltjes of interacties die een venster kunnen openen naar dingen die ontbreken in onze beschrijving van het universum."

Een ander project met strenge polarimetrie-eisen is de Electron-Ion Collider (EIC), een deeltjesversneller die met hulp van Jefferson Lab zal worden gebouwd in het Brookhaven National Laboratory in New York.

De EIC zal elektronen laten botsen met protonen of zwaardere atoomkernen om hun innerlijke werking te onderzoeken en inzicht te krijgen in de krachten die hen binden.

"Ik kan niet wachten om te zien hoe de Compton-polarimeter wordt ontwikkeld voor zaken als de EIC," zei Zec. "Die vereisten zullen heel anders zijn omdat het in een botsing zit, waar dezelfde deeltjes zo nu en dan doorheen gaan. Dat zal verdere, nauwkeurige metingen vereisen, omdat bij zoveel van deze experimenten het moet worden aangedrukt om hun bronnen te verlagen." van onzekerheid."

Het resultaat vormt ook de basis voor andere pariteitsschendingsexperimenten die naar Jefferson Lab komen, zoals SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).

Deze voorgestelde experimenten worden besproken in "A New Era of Discovery:The 2023 Long Range Plan for Nuclear Science." Dit document bevat aanbevolen onderzoeksprioriteiten voor het komende decennium op het gebied van de kernfysica, zoals voorgesteld door de Adviescommissie Nucleaire Wetenschappen. NSAC bestaat uit een diverse groep deskundige nucleaire wetenschappers die door DOE en de National Science Foundation (NSF) de opdracht hebben gekregen om aanbevelingen te doen over toekomstig onderzoek op dit gebied.

Experimentele kernfysici kunnen veel meer vertrouwen hebben in hun resultaten dankzij deze nieuwe bevestiging van de nauwkeurige polarimetrie die met elektronenbundels kan worden bereikt.

'Het is door een barrière heen gebroken,' zei Zec. "Het zal onze resultaten belangrijker maken, en het zal van Jefferson Lab een sterkere faciliteit maken voor natuurkunde in de toekomst."

Meer informatie: A. Zec et al, Compton-polarimetrie met ultrahoge precisie bij 2 GeV, Fysieke beoordeling C (2024). DOI:10.1103/PhysRevC.109.024323

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling C

Geleverd door Thomas Jefferson National Accelerator Facility




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Klimaatveranderingsmodellen van vogeleffecten slagen voor de test
  2. Ideeën voor wetenschapsbeurzen Projecten met honden
  3. Wie geeft er om WA-uilen?
  4. Deze pijnbomen leunen bijna altijd naar de evenaar
  5. Wetenschappers onthullen de ware identiteit van een Chinese octopus
  6. Verschil tussen differentiatie en morfogenese
  7. Leven in drijfhout in zee:het geval van drijfhoutspecialist talitrids
  8. Onderzoekers identificeren belangrijke speler in cellulaire reactie op stress
  9. Oude kikkers in massagraf stierven door te veel seks, zegt nieuw onderzoek

Wetenschap