Fizycy jądrowi dokonali przełomowego pomiaru polaryzacji wiązki elektronów za pomocą polarymetru Compton, drastycznie zmniejszając niepewność spinu elektronu do zaledwie 0,36%.
Ten postęp nie tylko przewyższa poprzednie rekordy, ale także zapewnia precyzję wymaganą w nadchodzących eksperymentach mających na celu przetestowanie i potencjalne rozszerzenie Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Eksperymenty te mają na celu zbadanie podstawowych składników materii i sił, które oddziałują między nimi, co może udoskonalić naszą wiedzę o strukturze wszechświata.
Spin i polaryzacja elektronów
Spin, podobnie jak masa czy ładunek elektryczny, jest podstawową właściwością elektronów. Kiedy elektrony wirują w tym samym kierunku w danym czasie, nazywa się to polaryzacją. Znajomość tego równoległego spinu jest niezbędna dla naukowców badających naturę materii w najmniejszej skali. W szczególności rzuca światło na strukturę jąder ciężkich atomów, takich jak ołów.
Teraz fizycy jądrowi zmierzyli polaryzację wiązki elektronów dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej. Osiągnęli rekordowy pomiar, wysyłając światło lasera i elektrony na kurs kolizyjny oraz wykrywając odbijające się fotony, czyli cząstki światła. Ta interakcja jest znana jako efekt Comptona.
Udoskonalanie modelu standardowego
Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych próbuje opisać najbardziej podstawowe składniki atomów, takie jak kwarki i gluony, wraz z trzema z czterech podstawowych sił: oddziaływaniem silnym, oddziaływaniem słabym i oddziaływaniem elektromagnetycznym. Ale to nie jest kompletne. Dlatego naukowcy planują serię nowatorskich eksperymentów, które sprawdzą tę teorię i być może pomogą w przekształceniu ich opisu Wszechświata. Niedawny pomiar polaryzacji Comptona przekroczył poziom precyzji wymagany w przyszłych badaniach.
Precyzja pomiaru polaryzacji
Kiedy porównujemy eksperyment z teorią, niezwykle ważne jest, aby naukowcy zrozumieli niepewność, jaką ujawniają te porównania. W przeciwnym razie testy te nie miałyby wartości naukowej. W wielu badaniach z udziałem wiązek elektronów głównym źródłem niepewności jest wiedza o spinie cząstek pod napięciem. Aby zmniejszyć tę niepewność, naukowcy z Narodowy Ośrodek Akceleracyjny Thomasa Jeffersona (Jefferson Lab) opracowało urządzenie do dokładniejszego niż kiedykolwiek pomiaru polaryzacji.
Przełom w precyzji polaryzacji
Naukowcy wykorzystali urządzenie zwane polarymetrem Comptona w hali A Uniwersytetu im Instalacja ciągłego akceleratora wiązki elektronówobiekt użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii. System kieruje wiązkę elektronów do wnęki optycznej, gdzie zderza się ona ze światłem lasera. Fotony wybijane przez wiązkę elektronów wpadają do detektora, który przekazuje ich sygnały do zestawu modułów zbierających dane. Polarymetr Comptona był częścią eksperymentu Calcium Radius Experiment (CREX), w ramach którego badano jądra atomów o średniej masie w celu poznania ich struktury.
Podczas CREX zespół badawczy obniżył niepewność spinu elektronów pod napięciem do 0,36%. Pobiło to rekord wynoszący 0,5%, który został ustanowiony przy znacznie wyższej energii wiązki w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC w 1995 r. Ten nowy pomiar przekroczył również próg 0,4% wymagany w flagowym eksperymencie MOLLER, który będzie mierzyć słaby ładunek elektronu jako test Modelu Standardowego.
Odniesienie: „Ultrawysoka precyzyjna polarymetria Comptona przy 2 GeV” autorzy: A. Zec, S. Premathilake, JC Cornejo, MM Dalton, C. Gal, D. Gaskell, M. Gericke, I. Halilovic, H. Liu, J. Mammei , R. Michaels, C. Palatchi, J. Pan, KD Paschke, B. Quinn i J. Zhang, 23 lutego 2024 r., Przegląd fizyczny C.
DOI: 10.1103/PhysRevC.109.024323
Prace te były częściowo wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Fizyki Jądrowej.
