核物理學家利用康普頓偏振計實現了對電子束偏振的突破性測量，將電子自旋的不確定性大幅降低至僅0.36%。這項進步不僅超越了先前的記錄，而且也達到了即將進行的實驗所要求的精度，這些實驗旨在測試並有可能擴展粒子物理學的標準模型。 這些實驗旨在探索物質的基本成分以及它們之間相互作用的力量，有望完善我們對宇宙結構的理解。

自旋與質量或電荷一樣，是電子固有的基本屬性。 當電子在給定時間內向同一方向自旋時，這稱為極化。 了解這種平行自旋對於科學家在最微小的尺度上探測物質的性質至關重要。 特別是，它揭示了鉛等重原子核的結構。

現在，核物理學家比以往任何時候都更精確地測量了電子束的偏振。 他們透過發送雷射和電子碰撞，並探測反彈回來的光子或光粒子，實現了創紀錄的測量。 這種交互作用稱為康普頓效應。

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

粒子物理學的標準模型試圖描述原子最基本的成分，如夸克和膠子，以及四種基本力中的三種：強力、弱力和電磁力。 但這還不夠完整。 這就是為什麼科學家正計劃進行一系列新穎的實驗來檢驗這個理論，並有可能幫助重塑他們對宇宙的描述。 最近進行的康普頓偏振測量已經超越了這些未來研究所需的精度水平。

在權衡實驗與理論時，科學家必須了解這些比較所揭示的不確定性。 否則，這些測驗就沒有任何科學價值。 在許多涉及電子束的研究中，對通電粒子自旋的了解是不確定性的主要來源。 為了減少這種不確定性，托馬斯-傑斐遜國家加速器（傑斐遜實驗室）的科學家們開發了一種設備，可以比以往更精確地測量極化。

科學家在能源部科學辦公室的用戶設施連續電子束加速器設施的A廳使用了這種被稱為康普頓偏振計的設備。 該系統將電子束轉移到一個光腔中，在那裡與雷射發生碰撞。 電子束撞擊出的光子進入偵測器，偵測器將其訊號傳遞給一套資料收集器。 康普頓偏振計是”鈣半徑實驗”（CREX）的一部分，該實驗探測中等重量原子的原子核，以了解它們的結構。

在CREX 期間，研究小組將通電電子自旋的不確定性降低到了0.36%。 這打破了1995年在SLAC國家加速器實驗室以更高束流能量創下的0.5%的記錄。 這項新的測量也跨越了旗艦MOLLER 實驗所需的0.4% 臨界值，該實驗將測量電子上的弱電荷，以檢驗標準模型。

編譯自/ SciTechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevC..024323