康普顿偏振仪的激光系统，用于测量电子的平行自旋，在杰斐逊实验室的钙半径实验中对齐。图片来源:Jefferson Lab photo/Dave Gaskell
电子束极化测量是有史以来最尖锐的报道，为杰斐逊实验室未来的旗舰实验奠定了基础。
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电子束内平行自旋测量(简称电子束偏振测量)近30年来的记录。这一成就为在杰斐逊实验室进行备受瞩目的实验奠定了基础，这些实验可能为新的物理发现打开大门。
在2月23日发表在《物理评论C》杂志上的一篇同行评议论文中，杰斐逊实验室的研究人员和科学用户合作报告了一项测量结果，比1994- 1995年在加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室进行的SLAC大型探测器(SLD)实验的基准测量结果更精确。
“在世界上任何地方的任何实验室，都没有人测量到电子束的极化如此精确，”杰斐逊实验室的实验核物理学家、该论文的合著者戴夫·盖斯凯尔(Dave Gaskell)说。这是这里的标题。这不仅是康普顿极化法的基准，也是任何电子极化测量技术的基准。”
康普顿偏振法包括探测光子——光的粒子——被带电粒子(如电子)散射。这种散射，也就是康普顿效应，可以通过在碰撞过程中发射激光和电子束来实现。
电子和光子具有一种叫做自旋的特性(物理学家用角动量来测量)。像质量或电荷一样，自旋是电子的固有属性。当粒子在给定的时间内以相同的方向旋转时，这个量被称为极化。对于在最小尺度上探索物质核心的物理学家来说，了解这种极化是至关重要的。
“把电子束想象成你用来测量东西的工具，就像一把尺子，”杰斐逊实验室的另一位物理学家、论文的合著者马克·麦克雷·道尔顿(Mark Macrae Dalton)说。“单位是英寸还是毫米?”你必须理解尺子才能理解任何测量。否则，你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在一个锁定的光学腔内共振。图片来源:Jefferson Lab photo/Dave Gaskell
额外福利
在钙半径实验(CREX)期间，与铅半径实验(PREX-II)一起进行了超高精度，以探测中重原子和重原子的原子核，以了解其“中子皮”的结构。
“中子表皮”指的是密度较大的原子原子核内质子和中子的分布。较轻的元素——通常是元素周期表上原子序数为20或更低的元素——通常有相同数量的质子和中子。中等重量和较重的原子通常需要比质子更多的中子来保持稳定。
PREX-II和CREX分别聚焦于铅-208和钙-48，前者有82个质子和126个中子，后者有20个质子和28个中子。在这些原子中，相对相等数量的质子和中子聚集在原子核的核心周围，而额外的中子被推到边缘——形成一种“皮肤”。
实验确定铅-208有一层较厚的中子皮，这就暗示了中子星的特性。另一方面，钙-48的表皮相对较薄，这证实了一些理论计算。这些测量的精度达到了十亿分之一纳米。
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厅进行，该设施是美国能源部科学办公室独特的用户设施，支持全球1800多名科学家的研究。
Gaskell说:“CREX和PREX-II合作项目关心的是充分了解偏振，我们将光束时间用于进行高质量的测量。”“我们充分利用了那段时间。”
在杰斐逊实验室A厅进行CREX实验时，康普顿偏振仪的激光系统准备了绿色激光的偏振态。图片来源:Jefferson Lab photo/Dave Gaskell
一定的不确定性
在CREX过程中，通过康普顿偏振法连续测量电子束的偏振，精度为0.36%。这超过了SLAC SLD实验中报告的0.5%。
在这些术语中，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——那些由实验设置产生的不确定性。它们可以包括光束的绝对能量、位置差和对激光偏振的了解。不确定性的其他来源是统计上的，这意味着随着收集到更多的数据，它们可以减少。
道尔顿说:“不确定性是如此基本，甚至很难描述，因为我们所知道的一切都是无限精确的。”“每当我们进行测量时，我们都需要给它一个不确定度。否则，没有人知道如何解释它。”
在许多涉及CEBAF的实验中，系统不确定性的主要来源是电子束极化的知识。CREX团队使用康普顿偏振计将这个未知值降到了有报道过的最低水平。
“精度越高，对理论解释的检验就越严格。你必须足够严格，才能与其他获取PREX-II和CREX物理的方法竞争，”杰斐逊实验室霍尔空调副主管罗伯特·迈克尔斯(Robert Michaels)说。“不精确的测试不会产生科学影响。”
怎么做的?
把康普顿偏振计想象成从跑道形状的CEBAF上出来的电子的坑道。
磁铁使电子沿着这条弯路转移，在共振光学腔内的反射面之间，光束与绿色激光重叠。当激光被锁定时，电子束随光散射并产生高能光子。
光子被探测器捕获，在这种情况下，探测器本质上是一个带有光电倍增管的圆柱形晶体，该光电倍增管将光信号传递给数据采集系统。
当电子从向前纵向状态翻转到向后纵向状态时，被击中的次数之差与光束的极化成正比。这假定激光的偏振是恒定的。
“当你计算出两个物体以接近光速相互撞击的基本运动学时，会有一个最大的能量，”合著者艾莉森·泽克说，他曾在弗吉尼亚大学物理学教授肯特·帕斯克的团队工作，现在是新罕布什尔大学的博士后研究员。她的博士论文部分集中在PREX-II和CREX实验中的康普顿偏振计，为此她获得了著名的2022年杰斐逊科学协会论文奖。
Zec说:“你能得到的最大能量是当电子进来时，光子直接朝它过来，光子以180度散射。”“这就是我们所说的康普顿边缘。一切都是按照康普顿的标准来衡量的。”
通过一系列的计算和实验控制，得到了0.36%的相对精度。
“这基本上是我们需要的恒星排列方式，”泽克说，“但不是没有艰苦的工作来证明我们能够到达那里。”这需要一点运气、一点体力、大量的注意力、仔细的思考和一点创造力。”
搭建舞台
精度第一次达到了杰斐逊实验室未来旗舰实验所需的水平，例如MOLLER(轻子-轻子电弱反应的测量)。MOLLER正在设计和建造阶段，它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测试。这将需要电子束偏振测量，相对精度为0.4%。
标准模型是一种试图描述亚原子粒子，如夸克和介子，以及四种基本力:强、弱、电磁力和引力的理论。
“你可以用标准模型计算的东西是惊人的，”道尔顿说。
但是标准模型并不完整。
“它不能解释暗物质是什么。它没有解释CP(电荷共轭宇称)的违反来自哪里，或者为什么宇宙中大部分是物质而不是反物质，”道尔顿继续说。
每种基本力都带有所谓的“电荷”，这决定了它的强度或粒子感受到力的强度。理论学家可以使用标准模型来计算电子上的弱力电荷，而MOLLER将对其进行物理测量并寻找与理论的偏差。
Gaskell说:“口号总是‘超越标准模型的物理学’。”“我们正在寻找粒子或相互作用，它们可能为我们对宇宙的描述中缺失的东西打开一扇窗。”
另一个有很强偏振要求的项目是电子-离子对撞机(EIC)，这是一个粒子加速器，将在纽约的布鲁克海文国家实验室在杰斐逊实验室的帮助下建造。
EIC将使电子与质子或更重的原子核碰撞，以探测它们的内部工作原理，并深入了解束缚它们的力。
Zec说:“我迫不及待地想看到康普顿偏振计被开发成EIC这样的东西。”“这些要求将会非常不同，因为它是在对撞机中，相同的粒子经常通过。这就需要进一步的、精确的测量，因为很多实验都需要把它压扁，以降低不确定性的来源。”
该结果也为杰斐逊实验室的其他奇偶违反实验奠定了基础，例如SoLID(螺线大强度装置)。
这些拟议的实验在“发现的新时代:2023年核科学的长期计划”中进行了讨论。这份文件包括核科学咨询委员会提出的下一个十年核物理学研究优先事项的建议。NSAC由一群不同的核科学家组成，他们受美国能源部和美国国家科学基金会(NSF)的委托，为该领域的未来研究提供建议。
有了电子束精确偏振测量的新证实，实验核物理学家可以对他们的结果更有信心了。
“它突破了一个障碍，”泽克说。“这将使我们的结果更加重要，并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。”
参考文献:“2 GeV超高精度康普顿偏振测量”，A. Zec, S. Premathilake, J. C. Cornejo, M. M. Dalton, C. Gal, D. Gaskell, M. Gericke, I. Halilovic, H. Liu, J. Mammei, R. Michaels, C. Palatchi, J. Pan, K. D. Paschke, B. Quinn, J. Zhang, 2024年2月23日，物理评论，DOI: 10.1103/PhysRevC.109.024323
