Les scientifiques ont désormais accès à un aperçu moreover détaillé que jamais des électrons qu’ils utilisent dans des expériences de précision.
Les physiciens nucléaires du Thomas Jefferson Countrywide Accelerator Facility du Département américain de l'énergie ont battu un report vieux de près de 30 ans pour la mesure du spin parallèle dans un faisceau d'électrons – ou polarimétrie du faisceau d'électrons, pour faire courtroom. Cette réalisation ouvre la voie à des expériences de haut niveau au Jefferson Lab qui pourraient ouvrir la porte à de nouvelles découvertes en physique.
Dans un article évalué par des pairs et publié le 23 février dans la revue Physical Overview C, une collaboration de chercheurs du Jefferson Lab et d'utilisateurs scientifiques a rapporté une mesure additionally précise qu'une référence obtenue lors de l'exécution 1994-95 de l'expérience SLAC Massive Detector (SLD). au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC à Menlo Park, en Californie.
« Personne n'a mesuré la polarisation d'un faisceau d'électrons avec cette précision dans aucun laboratoire, où que ce soit dans le monde », a déclaré Dave Gaskell, physicien nucléaire expérimental au Jefferson Lab et co-auteur de l'write-up. « C'est le titre ici. Il ne s'agit pas seulement d'une référence pour la polarimétrie Compton, mais pour toute technique de mesure de la polarisation électronique. »
La polarimétrie Compton consiste à détecter les photons (particules de lumière) diffusés par des particules chargées, telles que les électrons. Cette diffusion, également appelée effet Compton, peut être obtenue en envoyant une lumière laser et un faisceau d'électrons sur une trajectoire de collision.
Les électrons – et les photons – possèdent une propriété appelée spin (que les physiciens mesurent comme minute cinétique). Comme la masse ou la charge électrique, le spin est une propriété intrinsèque de l’électron. Lorsque des particules tournent dans la même direction à un instant donné, cette quantité est appelée polarisation. Et pour les physiciens qui sondent le cœur de la matière aux as well as petites échelles, la connaissance de cette polarisation est cruciale.
comme une règle », a déclaré Mark Macrae Dalton, un autre physicien du Jefferson Lab et co-auteur de l'post. « Est-ce en pouces ou en millimètres ? Il faut comprendre la règle pour comprendre n'importe quelle mesure. Sinon, on ne peut rien mesurer. »
Avantage en character
L'extremely-haute précision a été obtenue lors de l'expérience sur le rayon de calcium (CREX), menée en tandem avec l'expérience sur le rayon de plomb (PREX-II) pour sonder les noyaux d'atomes de poids moyen et lourd afin de mieux comprendre la composition de leur « peau neutronique ». « .
La « peau de neutrons » fait référence à la répartition des protons et des neutrons dans les noyaux des atomes plus denses. Les éléments additionally légers – généralement ceux dont le numéro atomique est égal ou inférieur à 20 dans le tableau périodique – ont souvent un nombre égal de protons et de neutrons. Les atomes de poids moyen et lourd ont généralement besoin de plus de neutrons que de protons pour rester stables.
PREX-II et CREX se sont concentrés respectivement sur le plomb 208, qui possède 82 protons et 126 neutrons, et le calcium 48, qui possède 20 protons et 28 neutrons. Dans ces atomes, un nombre relativement égal de protons et de neutrons se regroupent autour du noyau tandis que les neutrons supplémentaires sont poussés vers la frange, formant une sorte de « peau ».
Les expériences ont déterminé que le plomb 208 possède une peau neutronique quelque peu épaisse, ce qui a des implications sur les propriétés des étoiles à neutrons. La peau du calcium 48, en revanche, est relativement great et confirme certains calculs théoriques. Ces mesures ont été effectuées avec une précision de plusieurs centaines de millionièmes de nanomètre.
PREX-II et CREX se sont déroulés de 2019 à 2020 dans le corridor A de l'accélérateur de faisceaux d'électrons continus du Jefferson Lab, une set up utilisateur exceptional du Bureau des sciences du DOE qui soutient la recherche de as well as de 1 800 scientifiques dans le monde.
« La collaboration CREX et PREX-II souhaitait connaître suffisamment bien la polarisation pour consacrer le temps de faisceau à effectuer une mesure de haute qualité », a déclaré Gaskell. « Et nous avons pleinement utilisé ce temps. »
Une certaine incertitude
Au cours du CREX, la polarisation du faisceau électronique a été mesurée en continu by using polarimétrie Compton avec une précision de, 36 %. Cela a dépassé les, 5 % rapportés lors de l’expérience SLD du SLAC.
En ces termes, un nombre additionally petit est préférable motor vehicle les pourcentages représentent la somme de toutes les incertitudes systématiques – celles créées par la configuration d’une expérience. Ils peuvent inclure l’énergie absolue du faisceau, les différences de posture et la connaissance de la polarisation du laser. D’autres sources d’incertitude sont d’ordre statistique, ce qui signifie qu’elles peuvent être réduites à mesure que davantage de données sont collectées.
« L'incertitude est si fondamentale qu'elle est même difficile à décrire motor vehicle nous ne savons rien avec une précision infinie », a déclaré Dalton. « Chaque fois que nous effectuons une mesure, nous devons y ajouter une incertitude. Sinon, personne ne saura comment l'interpréter. »
Dans de nombreuses expériences impliquant le CEBAF, la source dominante d'incertitude systématique est la connaissance de la polarisation du faisceau électronique. L'équipe CREX a utilisé le polarimètre Compton pour ramener cette inconnue au niveau le moreover bas jamais signalé.
« Plus la précision est élevée, additionally le exam d'interprétation théorique est demanding. Vous devez être suffisamment rigorous pour rivaliser avec d'autres méthodes d'accès à la physique de PREX-II et CREX », a déclaré Robert Michaels, directeur adjoint du Jefferson Lab pour les Halls A. /C. « Un exam imprécis n'aurait aucun effect scientifique. »
Comment cela a été fait
Les aimants détournent les électrons le extended de ce détour, où le faisceau chevauche un laser vert entre des surfaces réfléchissantes à l'intérieur d'une cavité optique résonante. Lorsque le laser est verrouillé, le faisceau d'électrons se diffuse avec la lumière et crée des photons de haute énergie.
Les photons sont capturés par un détecteur, qui dans ce cas est essentiellement un cristal cylindrique avec un tube photomultiplicateur qui transmet le signal lumineux au système d'acquisition de données.
La différence entre le nombre de coups lorsque les électrons passent d'un état longitudinal vers l'avant à un état arrière est proportionnelle à la polarisation du faisceau. Cela suppose que la polarisation du laser est constante.
« Il y a une énergie maximale lorsque vous travaillez sur la cinématique de base de deux objets qui se heurtent à une vitesse proche de la lumière », a déclaré la co-auteure Allison Zec, qui a travaillé dans l'équipe du professeur de physique Kent Paschke de l'Université de Virginie et est maintenant chercheuse postdoctorale à l'Université de Virginie. l'Université du New Hampshire. Sa thèse de doctorat portait en partie sur le polarimètre Compton dans les expériences PREX-II et CREX, pour laquelle elle a remporté le prestigieux prix de thèse Jefferson Science Associates 2022.
« Le most d'énergie que vous pouvez obtenir est lorsque l'électron entre et que le photon arrive directement sur lui, et que le photon est diffusé à 180 degrés », a déclaré Zec. « C'est ce que nous appelons le bord Compton. Tout est mesuré par rapport à ce bord Compton et additionally bas. »
« Il s'agissait essentiellement d'aligner les étoiles d'une manière dont nous avions besoin », a déclaré Zec, « mais non sans un travail acharné pour prouver que nous étions capables d'y arriver. Il a fallu un peu de probability, un peu d'huile de coude, un beaucoup d'attention, de réflexion et un peu de créativité. »
La mise en scène
Pour la première fois, la précision a atteint un niveau requis pour les futures expériences phares du Jefferson Lab, telles que MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Response). MOLLER, qui est en period de conception et de building, mesurera la faible demand d'un électron comme une sorte de examination du modèle standard de la physique des particules. Cela nécessitera une polarimétrie par faisceau d'électrons avec une précision relative de, 4 %.
Le modèle conventional est une théorie qui tente de décrire les particules subatomiques, telles que les quarks et les muons, ainsi que les quatre forces fondamentales : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.
« Les choses que vous pouvez calculer avec le modèle regular sont phénoménales », a déclaré Dalton.
Mais le modèle standard n’est pas complet.
« Cela n'explique pas ce qu'est la matière noire. Cela n'explique pas d'où vient la violation de CP (parité de conjugaison de expenses), ni pourquoi il y a principalement de la matière dans l'univers et non de l'antimatière », a poursuivi Dalton.
Chaque pressure fondamentale porte une « cost », qui dicte sa power ou la pressure avec laquelle une particule ressent la drive. Les théoriciens peuvent utiliser le modèle common pour calculer la charge de la force faible sur l'électron, tandis que MOLLER la mesurerait physiquement et rechercherait les écarts par rapport à la théorie.
« Le slogan est toujours » la physique au-delà du modèle standard « », a déclaré Gaskell. « Nous recherchons des particules ou des interactions susceptibles d'ouvrir une fenêtre sur des éléments manquant dans notre description de l'univers. »
Un autre projet avec de fortes exigences en polarimétrie est le collisionneur d'ions-électrons (EIC), un accélérateur de particules qui sera construit au Brookhaven Nationwide Laboratory à New York avec l'aide du Jefferson Lab.
L'EIC fera entrer en collision des électrons avec des protons ou des noyaux atomiques as well as lourds pour sonder leur fonctionnement interne et mieux comprendre les forces qui les lient.
« J'ai hâte de voir le polarimètre Compton développé pour des choses comme l'EIC », a déclaré Zec. « Ces exigences vont être très différentes motor vehicle il s'agit d'un collisionneur, où les mêmes particules passent de temps en temps. Cela va nécessiter des mesures moreover précises, auto beaucoup de ces expériences doivent être tassées pour réduire leurs resources. d'incertitude. »
Le résultat ouvre également la voie à d’autres expériences de violation de parité à venir au Jefferson Lab, telles que Solid (Solenoidal Substantial Depth Product).
Ces expériences proposées sont discutées dans « Une nouvelle ère de découverte : le system à long terme 2023 pour la science nucléaire ». Ce doc comprend les priorités de recherche recommandées pour la prochaine décennie en physique nucléaire, telles que proposées par le Comité consultatif de la science nucléaire. Le NSAC est composé d'un groupe diversifié de scientifiques gurus en nucléaire chargés par le DOE et la Nationwide Science Basis (NSF) de formuler des recommandations sur les recherches futures dans ce domaine.
Avec cette nouvelle confirmation de la polarimétrie de précision pouvant être obtenue avec des faisceaux d’électrons, les physiciens nucléaires expérimentaux peuvent avoir beaucoup as well as confiance dans leurs résultats.
« Il a franchi une barrière », a déclaré Zec. « Cela rendra nos résultats plus significatifs et fera du Jefferson Lab une installation furthermore solide pour faire de la physique à l'avenir. »
