傑斐遜實驗室以創紀錄的電子自旋測量揭開物理學的新前沿
科學家們正在比以往任何時候都更詳細地觀察他們在精密實驗中使用的電子。美國能源部托馬斯-傑斐遜國家加速器設施的核物理學家打破了一項有近30 年歷史的電子束平行自旋測量記錄–簡稱”電子束偏振測量法”。電子束極化的測量是有史以來最精確的，這項成就為傑斐遜實驗室的高調實驗奠定了基礎，而這些實驗可能會為新的物理學發現打開大門。
在傑斐遜實驗室進行鈣半徑實驗期間，用於測量電子平行自旋的康普頓偏振計雷射系統正在對準。圖片來源：傑佛遜實驗室照片/Dave Gaskell
傑斐遜實驗室的研究人員和科學用戶合作，於2 月23 日在《物理評論C》（Physical Review C）雜誌上發表了一篇經同行評審的論文，報告了在加利福尼亞州門洛帕克的SLAC 國家加速器實驗室進行的SLAC 大型偵測器（SLD）實驗中，比1994-95 年運作期間的基準更精確的測量結果。
傑斐遜實驗室的實驗核物理學家戴夫-加斯凱爾（Dave Gaskell）是這篇論文的共同作者之一，他說：”在世界任何地方的任何實驗室都沒有人能夠如此精確地測量電子束的偏振。這就是本文的標題。這不僅是康普頓偏振測量技術的基準，也是任何電子偏振測量技術的基準。”
康普頓偏振測量法是透過檢測電子等帶電粒子散射的光子（光粒子）來實現的。這種散射又稱為康普頓效應，可以透過發送雷射和電子束進行碰撞來實現。
電子和光子都有一種叫做自旋的特性（物理學家用角動量來測量）。與質量或電荷一樣，自旋是電子的固有屬性。當粒子在給定時間內向同一方向自旋時，這個量稱為極化。對於在最微小尺度上探測物質核心的物理學家來說，了解這種極化至關重要。
傑斐遜實驗室的另一位物理學家、該論文的共同作者馬克-麥克雷-道爾頓說：”把電子束想像成你用來測量某物的工具，就像一把尺子。是以英寸為單位還是以毫米為單位？首先必須理解尺子本身，才能理解任何測量。否則就無法測量任何東西。”
在CREX 實驗運行期間，康普頓偏振計的雷射在鎖定的光腔內發生共振。圖片來源：傑佛遜實驗室照片/Dave Gaskell
超高精度是在”鈣半徑實驗”（CREX）期間實現的，該實驗與”鉛半徑實驗”（PREX-II）同時進行，目的是探測中等重量和重原子核，以深入了解其”中子表皮”的結構。
“中子表面”是指質子和中子在密度較大的原子核內的分佈。輕元素–通常是元素週期表中原子序數為20 或更低的元素–通常質子和中子的數量相等。中等重量和重原子通常需要比質子更多的中子來保持穩定。
PREX-II 和CREX 分別以擁有82 個質子和126 個中子的鉛-208 和擁有20 個質子和28 個中子的鈣-48 為研究對象。在這些原子中，數量相對相等的質子和中子聚集在原子核的核心周圍，而多餘的中子則被擠到邊緣–形成一種”表皮”。
實驗確定，鉛-208 的中子表面有點厚，因而對中子星的性質產生了影響。另一方面，鈣-48 的外皮相對較薄，證實了一些理論計算。這些測量的精度達到了數億分之一奈米。
PREX-II 和CREX 於2019 年至2020 年在傑斐遜實驗室連續電子束加速器設施的A 廳運行，該設施是能源部科學辦公室獨一無二的用戶設施，為全球1800 多名科學家的研究提供支援。
Gaskell 說：”CREX 和PREX-II 合作專案非常重視對偏振的充分了解，因此我們專門安排了光束時間來進行高品質的測量。我們充分利用了這段時間。”
在傑佛遜實驗室A 廳進行的CREX 實驗中，康普頓偏振計的雷射系統正在準備綠色雷射的偏振態。圖片來源：傑佛遜實驗室照片/Dave Gaskell
某些不確定性
在CREX 期間，透過康普頓偏振測量法對電子束的偏振進行了連續測量，精度達到0.36%。這超過了SLAC 的SLD 實驗所報告的0.5%。
就這些術語而言，數字越小越好，因為百分比代表了所有系統不確定性的總和，即由實驗設定造成的不確定性。它們可能包括光束的絕對能量、位置差異和雷射偏振知識。不確定性的其他來源是統計性的，這意味著它們可以隨著更多數據的收集而減少。
道爾頓說：「不確定性是如此基本，甚至難以描述，因為沒有什麼是我們知道的無限精確的。每當我們進行測量時，我們都需要給它加上不確定性。否則，沒有人會知道如何解釋它。”
在許多涉及CEBAF 的實驗中，系統不確定性的主要來源是對電子束偏振的了解。CREX 團隊利用康普頓偏振計將這一未知數降到了有史以來的最低水平。
可以把康普頓偏振計看成是從賽道形CEBAF 噴出的電子的坑道。
磁鐵使電子沿著這條迂迴路線轉向，在共振光腔內的反射面之間，電子束與綠色雷射重疊。當雷射被鎖定時，電子束與光線散射，產生高能量光子。
光子被偵測器捕獲，在這種情況下，偵測器基本上是一個帶有光電倍增管的圓柱形晶體，它將光訊號傳遞給資料擷取系統。
當電子從正向縱向狀態翻轉到反向縱向狀態時，擊中的次數差與光束的偏振成正比。這假定雷射的偏振是恆定的。
合著者艾莉森-澤克（Allison Zec）說：”當你計算出兩個物體以接近光速相互撞擊的基本運動學原理時，會有一個最大能量。”她曾在弗吉尼亞大學物理教授肯特-帕施克（Kent Paschke）的團隊工作，現在是新罕布夏大學的博士後研究員。她的博士論文部分專注於PREX-II 和CREX 實驗中的康普頓偏振計，並因此獲得了著名的2022 年傑斐遜科學協會論文獎。
澤克說：”能獲得的最大能量是當電子進入時，光子直射它，光子被散射180 度。這就是我們所說的康普頓邊緣。一切測量都是在康普頓邊緣或更低的地方進行的。”
透過一系列的計算和實驗控制，0.36% 的相對精度得以實現。澤克說：「這基本上是眾星捧月的結果，我們需要這樣的結果。這需要一點點運氣、一點點心血、大量的關注、仔細的思考和一點點創造力」。
搭建舞台
其精度首次達到了傑斐遜實驗室未來旗艦實驗所需的水平，如MOLLER（躍子-躍子弱電反應測量）。處於設計和建造階段的MOLLER 將測量電子上的弱電荷，作為對粒子物理學標準模型的一種檢驗。它需要相對精度為0.4%的電子束偏振測量法。
標準模型是一種試圖描述夸克和μ介子等亞原子粒子以及四種基本力（強力、弱力、電磁力和引力）的理論。用標準模型能計算出來的東西是驚人的，但標準模型並不完整。
“它無法解釋暗物質是什麼。它無法解釋CP（電荷共軛奇偶性）違反從何而來，也無法解釋為什麼宇宙中大部分是物質而不是反物質，」道爾頓繼續說道。
每種基本力都帶有所謂的”電荷”，它決定了力的強度或粒子感受力的強度。理論家可以利用標準模型來計算弱力在電子上的電荷，而莫勒則會對其進行物理測量，並尋找與理論的偏差。
“我們的口頭禪總是提到’超越標準模型的物理學’，”加斯凱爾說。”我們正在尋找粒子或相互作用，它們可能會打開一扇窗，讓我們了解在我們對宇宙的描述中缺少的東西”。
另一個有強烈偏振測量要求的項目是電子-離子對撞機（EIC），這是一個粒子加速器，將在傑斐遜實驗室的幫助下在紐約布魯克海文國家實驗室建成。EIC 將使電子與質子或較重的原子核碰撞，以探測它們的內部運作，並深入了解將它們結合在一起的力量。
澤克說：”我迫不及待地想看到康普頓偏振計在EIC等設備上得到發展。這些要求將會非常不同，因為它是在對撞機中，同樣的粒子每隔一段時間就會通過一次。這就需要更進一步的精確測量，因為許多這些實驗都需要透過精確測量來降低其不確定性來源”。
這項成果也為傑佛遜實驗室即將進行的其他奇偶性破壞實驗（如SoLID（電磁大強度裝置））奠定了基礎。
發現的新時代：2023 年核科學長期計劃”中討論。該文件包括核科學諮詢委員會提出的未來十年核物理研究重點建議。核科學諮詢委員會由一群專業的核科學家組成，他們受能源部和美國國家科學基金會（NSF）委託，為該領域的未來研究提供建議。有了這個新的證實，實驗核物理學家就可以對他們的結果更有信心了。
“它突破了一個障礙，」澤克說。”這將使我們的成果更有意義，也將使傑斐遜實驗室成為未來從事物理學研究的更強大的設施”。
編譯自: ScitechDaily