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用激光测量电子的自旋:一项精确到千分之三的壮举

类别:科技 发布时间:2024-03-15 10:43:00 来源:大可数学人生工作室

电子是一种带有负电荷的微小粒子,它们构成了原子的外层。电子不仅有电荷,还有自旋,这是一种类似于旋转的内在性质。电子的自旋可以沿着任何方向,但是当我们用磁场或者光来测量它时,我们只能得到两个可能的结果:自旋向上或者向下。

电子的自旋对于物理学的许多领域都非常重要,比如原子物理、凝聚态物理、核物理、粒子物理等等。如果我们能够精确地测量电子的自旋,我们就能够探索这些领域的许多未解之谜,比如电子的磁矩、弱相互作用、中微子物理等等。但是,测量电子的自旋并不是一件容易的事情,因为电子是非常微小的,而且非常快速的,我们需要用一些巧妙的方法来捕捉它们的自旋信息。

用激光测量电子的自旋:一项精确到千分之三的壮举

最近发表在《物理评论快报》的一篇论文,报告了一项用激光测量电子的自旋的高精度实验,这项实验是在美国的杰斐逊实验室进行的,它是在2020年的钙半径实验(CREX)的过程中完成的。这项实验的目的是测量2 GeV的电子束的极化度,也就是电子自旋向上或者向下的比例。他们使用了一种叫做康普顿散射的过程,这是一种电子和光子相互碰撞的过程,其中电子和光子的自旋都会发生变化。通过检测散射后的光子,我们就能够推断出电子的自旋。

康普顿散射的原理很简单,就像是台球的碰撞一样,只不过这里的球是电子和光子,而且它们的运动遵循相对论的规律。当一个电子和一个光子相遇时,它们会互相交换一些能量和动量,同时也会交换一些自旋。如果我们知道了散射前的电子和光子的能量、动量和自旋,我们就能够计算出散射后的电子和光子的能量、动量和自旋,反之亦然。这就是康普顿散射的基本原理,它是由物理学家阿瑟·康普顿在1923年发现的,他因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。

在这项实验中,物理学家们使用了一束能量为2 GeV的电子束,它是由杰斐逊实验室的连续电子加速器(CEBAF)产生的,这是一台世界上最强大的电子加速器之一,它可以将电子加速到接近光速的99.999%。然后,他们用一台激光器产生了一束能量为1.17 eV的圆偏振光,它的波长为1064 nm,是一种红外光。他们将这束激光和电子束在一个真空室内相交,使得电子和光子发生康普顿散射。由于电子的能量远远大于光子的能量,所以散射后的电子的能量变化很小,而散射后的光子的能量则大大增加,达到了几百兆电子伏特。这些高能光子被称为反向康普顿散射光子,因为它们的运动方向和原来的光子相反。

物理学家们使用了一个特制的光子探测器,来测量反向康普顿散射光子的能量和数量,从而推断出电子束的极化度。这个光子探测器是由一个铅玻璃闪烁体和一个硅光电倍增管组成的,它可以将光子的能量转换为电信号,然后用一个电子学系统进行放大和分析。这个光子探测器的设计和制造是这项实验的一个关键技术,它具有高效率、高分辨率、高稳定性和高抗干扰性等优点,它可以在高强度的电子束和激光的环境下工作,而不受它们的影响。

通过对反向康普顿散射光子的测量,物理学家们得到了电子束的极化度的结果是0.865,也就是说电子束中有86.5%的电子的自旋是向上的,而13.5%的电子的自旋是向下的。这个结果的精度达到了千分之三的水平,这是有史以来用康普顿散射测量电子束极化度的最高精度,超过了之前的世界纪录,这个精度已经达到了未来的一些重大实验的要求。

这项实验是一个物理学的壮举,它展示了用激光测量电子的自旋的强大能力,它为未来的物理学研究提供了一个可靠的工具。但是我们还有很多工作要做:我们还可以对数据进行更深入的分析,比如研究不同的散射角度和能量区间的极化变化,以及与其他物理量的相关性;我们还可以对实验设备进行更多的测试和改进,比如提高激光的功率和稳定性,优化光学腔的调节和反馈,提高光子探测器的分辨率和效率,以及增加数据采集系统的速度和容量等。

来自:万象经验

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快照生成时间:2024-03-15 11:45:09

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