杰斐逊实验室用创纪录的电子自旋测量揭开物理学的新前沿

科学家们正在比以往任何时候都更详细地观察他们在精密实验中使用的电子。美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施的核物理学家打破了一项有近 30 年历史的电子束平行自旋测量记录--简称"电子束偏振测量法"。对电子束极化的测量是有史以来最精确的，这一成就为杰斐逊实验室的高调实验奠定了基础，而这些实验可能会为新的物理学发现打开大门。

在杰斐逊实验室进行钙半径实验期间，用于测量电子平行自旋的康普顿偏振计激光系统正在对准。图片来源：杰斐逊实验室照片/Dave Gaskell

杰斐逊实验室的研究人员和科学用户合作，于 2 月 23 日在《物理评论 C》（Physical Review C）杂志上发表了一篇经同行评审的论文，报告了在加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室进行的 SLAC 大型探测器（SLD）实验中，比 1994-95 年运行期间的基准更精确的测量结果。

杰斐逊实验室的实验核物理学家戴夫-加斯凯尔（Dave Gaskell）是这篇论文的共同作者之一，他说："在世界任何地方的任何实验室都没有人能够如此精确地测量电子束的偏振。这就是本文的标题。这不仅是康普顿偏振测量技术的基准，也是任何电子偏振测量技术的基准。"

康普顿偏振测量法是通过检测电子等带电粒子散射的光子（光粒子）来实现的。这种散射又称康普顿效应，可以通过发送激光和电子束进行碰撞来实现。

电子和光子都有一种叫做自旋的特性（物理学家用角动量来测量）。与质量或电荷一样，自旋是电子的固有属性。当粒子在给定时间内向同一方向自旋时，这个量被称为极化。对于在最微小尺度上探测物质核心的物理学家来说，了解这种极化至关重要。

杰斐逊实验室的另一位物理学家、该论文的共同作者马克-麦克雷-道尔顿说："把电子束想象成你用来测量某物的工具，就像一把尺子。是以英寸为单位还是以毫米为单位？首先必须理解尺子本身，才能理解任何测量。否则就无法测量任何东西。"

在 CREX 实验运行期间，康普顿偏振计的激光器在锁定的光腔内发生共振。图片来源：杰斐逊实验室照片/Dave Gaskell

超高精度是在"钙半径实验"（CREX）期间实现的，该实验与"铅半径实验"（PREX-II）同时进行，目的是探测中等重量和重原子核，以深入了解其"中子表皮"的结构。

"中子表面"是指质子和中子在密度较大的原子核内的分布。轻元素--通常是元素周期表中原子序数为 20 或更低的元素--通常质子和中子的数量相等。中等重量和重原子通常需要比质子更多的中子来保持稳定。

PREX-II 和 CREX 分别以拥有 82 个质子和 126 个中子的铅-208 和拥有 20 个质子和 28 个中子的钙-48 为研究对象。在这些原子中，数量相对相等的质子和中子聚集在原子核的核心周围，而多余的中子则被挤到边缘--形成一种"表皮"。

实验确定，铅-208 的中子表面有点厚，从而对中子星的性质产生了影响。另一方面，钙-48 的外皮相对较薄，证实了一些理论计算。这些测量的精度达到了数亿分之一纳米。

PREX-II 和 CREX 于 2019 年至 2020 年在杰斐逊实验室连续电子束加速器设施的 A 厅运行，该设施是能源部科学办公室独一无二的用户设施，为全球 1800 多名科学家的研究提供支持。

Gaskell 说："CREX 和 PREX-II 合作项目非常重视对偏振的充分了解，因此我们专门安排了光束时间来进行高质量的测量。我们充分利用了这段时间。"

在杰斐逊实验室 A 厅进行的 CREX 实验中，康普顿偏振计的激光系统正在准备绿色激光的偏振态。图片来源：杰斐逊实验室照片/Dave Gaskell

某些不确定性

在 CREX 期间，通过康普顿偏振测量法对电子束的偏振进行了连续测量，精度达到 0.36%。这超过了 SLAC 的 SLD 实验所报告的 0.5%。

就这些术语而言，数字越小越好，因为百分比代表了所有系统不确定性的总和，即由实验设置造成的不确定性。它们可能包括光束的绝对能量、位置差异和激光偏振知识。不确定性的其他来源是统计性的，这意味着它们可以随着更多数据的收集而减少。

道尔顿说："不确定性是如此基本，甚至难以描述，因为没有什么是我们知道的无限精确的。每当我们进行测量时，我们都需要给它加上不确定性。否则，没有人会知道如何解释它。"

在许多涉及 CEBAF 的实验中，系统不确定性的主要来源是对电子束偏振的了解。CREX 团队利用康普顿偏振计将这一未知数降到了有史以来的最低水平。

"精度越高，对理论解释的检验就越严格。必须足够严格才能与其他获取 PREX-II 和 CREX 物理学的方法竞争，"杰斐逊实验室负责霍尔斯空调的副组长罗伯特-迈克尔斯（Robert Michaels）说。"不精确的测试不会产生任何科学影响"。

如何完成

可以把康普顿偏振计看作是从赛道形 CEBAF 喷出的电子的坑道。

磁铁使电子沿着这条迂回路线转向，在共振光腔内的反射面之间，电子束与绿色激光重叠。当激光被锁定时，电子束与光线发生散射，产生高能光子。

光子被探测器捕获，在这种情况下，探测器基本上是一个带有光电倍增管的圆柱形晶体，它将光信号传递给数据采集系统。

当电子从正向纵向状态翻转到反向纵向状态时，击中的次数之差与光束的偏振成正比。这假定激光的偏振是恒定的。

合著者艾莉森-泽克（Allison Zec）说："当你计算出两个物体以接近光速相互撞击的基本运动学原理时，会有一个最大能量。"她曾在弗吉尼亚大学物理教授肯特-帕施克（Kent Paschke）的团队工作，现在是新罕布什尔大学的博士后研究员。她的博士论文部分侧重于 PREX-II 和 CREX 实验中的康普顿偏振计，并因此 获得了著名的 2022 年杰斐逊科学协会论文奖。

泽克说："能获得的最大能量是当电子进入时，光子直射它，光子被散射 180 度。这就是我们所说的康普顿边缘。一切测量都是在康普顿边缘或更低的地方进行的。"

通过一系列的计算和实验控制，0.36% 的相对精度得以实现。泽克说："这基本上是众星捧月的结果，我们需要这样的结果。这需要一点点运气、一点点心血、大量的关注、仔细的思考和一点点创造力"。

搭建舞台

其精度首次达到了杰斐逊实验室未来旗舰实验所需的水平，如MOLLER（跃子-跃子弱电反应测量）。处于设计和建造阶段的 MOLLER 将测量电子上的弱电荷，作为对粒子物理学标准模型的一种检验。它需要相对精度为 0.4%的电子束偏振测量法。

标准模型是一种试图描述夸克和μ介子等亚原子粒子以及四种基本力（强力、弱力、电磁力和引力）的理论。用标准模型能计算出的东西是惊人的，但标准模型并不完整。

"它无法解释暗物质是什么。它无法解释CP（电荷共轭奇偶性）违反从何而来，也无法解释为什么宇宙中大部分是物质而不是反物质，"道尔顿继续说道。

每种基本力都带有所谓的"电荷"，它决定了力的强度或粒子感受力的强烈程度。理论家可以利用标准模型来计算弱力在电子上的电荷，而莫勒则会对其进行物理测量，并寻找与理论的偏差。

"我们的口头禅总是提到'超越标准模型的物理学'，"加斯凯尔说。"我们正在寻找粒子或相互作用，它们可能会打开一扇窗，让我们了解在我们对宇宙的描述中缺失的东西"。

另一个有强烈偏振测量要求的项目是电子-离子对撞机（EIC），这是一个粒子加速器，将在杰斐逊实验室的帮助下在纽约布鲁克海文国家实验室建成。EIC 将使电子与质子或较重的原子核碰撞，以探测它们的内部运作，并深入了解将它们结合在一起的力量。

泽克说："我迫不及待地想看到康普顿偏振计在EIC等设备上得到发展。这些要求将会非常不同，因为它是在对撞机中，同样的粒子每隔一段时间就会通过一次。这就需要更进一步的精确测量，因为许多这些实验都需要通过精确测量来降低其不确定性来源"。

这一成果也为杰斐逊实验室即将开展的其他奇偶性破坏实验（如 SoLID（电磁大强度装置））奠定了基础。

发现的新时代：2023 年核科学长期计划"中讨论。该文件包括核科学咨询委员会提出的未来十年核物理研究重点建议。核科学咨询委员会由一群专业的核科学家组成，他们受能源部和美国国家科学基金会（NSF）委托，为该领域的未来研究提供建议。有了这一新的证实，实验核物理学家就可以对他们的结果更有信心了。

"它突破了一个障碍，"泽克说。"这将使我们的成果更有意义，也将使杰斐逊实验室成为未来从事物理学研究的更强大的设施"。

来自：cnBeta