Gli scienziati stanno osservando in modo più dettagliato che mai gli elettroni utilizzati negli esperimenti di precisione.
I fisici nucleari della Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno infranto un record vecchio di quasi 30 anni per la misurazione dello spin parallelo all'interno di un fascio di elettroni, o polarimetria del fascio di elettroni, in breve. Questo risultato pone le basi per esperimenti di alto profilo presso il Jefferson Lab che potrebbero aprire la porta a nuove scoperte di fisica.
In un articolo pubblicato su Physical Review C , una collaborazione di ricercatori del Jefferson Lab e utenti scientifici ha riportato una misurazione più precisa di un valore di riferimento raggiunto durante l'esperimento SLAC Large Detector (SLD) del 1994-95 presso lo SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, California.
"Nessuno ha misurato la polarizzazione di un fascio di elettroni con questa precisione in nessun laboratorio, in nessuna parte del mondo", ha detto Dave Gaskell, fisico nucleare sperimentale al Jefferson Lab e coautore dell'articolo. "Questo è il titolo qui. Non è solo un punto di riferimento per la polarimetria Compton ma per qualsiasi tecnica di misurazione della polarizzazione degli elettroni."
La polarimetria Compton prevede il rilevamento dei fotoni, particelle di luce, diffuse da particelle cariche, come gli elettroni. Questa diffusione, ovvero l'effetto Compton, può essere ottenuta inviando luce laser e un fascio di elettroni in rotta di collisione.
Gli elettroni e i fotoni possiedono una proprietà chiamata spin (che i fisici misurano come momento angolare). Come la massa o la carica elettrica, lo spin è una proprietà intrinseca dell'elettrone. Quando le particelle ruotano nella stessa direzione in un dato momento, la quantità è nota come polarizzazione. La conoscenza di tale polarizzazione è fondamentale per i fisici che sondano il cuore della materia su scala più piccola.
"Pensa al fascio di elettroni come a uno strumento che usi per misurare qualcosa, come un righello", ha detto Mark Macrae Dalton, un altro fisico del Jefferson Lab e coautore dell'articolo. "È in pollici o in millimetri? Devi conoscere il righello per comprendere qualsiasi misura. Altrimenti non puoi misurare nulla."
L'altissima precisione è stata raggiunta durante l'esperimento Calcium Radius (CREX), condotto in tandem con l'esperimento Lead Radius (PREX-II) per sondare i nuclei di atomi di peso medio e pesante per comprendere meglio la struttura della loro "pelle di neutroni". ."
"Pelle di neutroni" si riferisce alla distribuzione di protoni e neutroni all'interno dei nuclei degli atomi più densi. Gli elementi più leggeri, generalmente quelli con un numero atomico pari o inferiore a 20 nella tavola periodica, spesso hanno un numero uguale di protoni e neutroni. Gli atomi di peso medio e pesante in genere necessitano di più neutroni che protoni per rimanere stabili.
PREX-II e CREX si sono concentrati rispettivamente sul piombo-208, che ha 82 protoni e 126 neutroni, e sul calcio-48, che ha 20 protoni e 28 neutroni. In questi atomi, un numero relativamente uguale di protoni e neutroni si raggruppa attorno al nucleo del nucleo mentre i neutroni in eccesso vengono spinti verso i margini, formando una sorta di "pelle".
Gli esperimenti hanno determinato che il piombo-208 ha una pelle di neutroni piuttosto spessa, il che porta a implicazioni per le proprietà delle stelle di neutroni. La pelle del Calcio-48, invece, è relativamente sottile e conferma alcuni calcoli teorici. Queste misurazioni sono state effettuate con una precisione di centinaia di milionesimi di nanometro.
PREX-II e CREX si sono svolte dal 2019 al 2020 nella sala A della struttura di accelerazione del fascio di elettroni continui del Jefferson Lab, una struttura unica per gli utenti del DOE Office of Science che supporta la ricerca di oltre 1.800 scienziati in tutto il mondo.
"La collaborazione tra CREX e PREX-II si è preoccupata di conoscere la polarizzazione abbastanza bene da dedicare il tempo del fascio per effettuare una misurazione di alta qualità", ha affermato Gaskell. "E abbiamo sfruttato appieno quel tempo."
Durante CREX, la polarizzazione del fascio di elettroni è stata misurata continuamente tramite polarimetria Compton con una precisione dello 0,36%. Ciò ha superato lo 0,5% riportato durante l'esperimento SLD di SLAC.
In questi termini, il numero più piccolo è migliore perché le percentuali rappresentano la somma di tutte le incertezze sistematiche, quelle create dalla configurazione di un esperimento. Possono includere energia assoluta del raggio, differenze di posizione e conoscenza della polarizzazione del laser. Altre fonti di incertezza sono statistiche, il che significa che possono essere ridotte man mano che vengono raccolti più dati.
"L'incertezza è così fondamentale che è difficile persino da descrivere perché non c'è nulla che sappiamo con infinita precisione", ha detto Dalton. "Ogni volta che effettuiamo una misurazione, dobbiamo inserire un'incertezza, altrimenti nessuno saprà come interpretarla."
In molti esperimenti che coinvolgono il CEBAF, la fonte principale di incertezza sistematica è la conoscenza della polarizzazione del fascio di elettroni. Il team CREX ha utilizzato il polarimetro Compton per portare l'incognita al livello più basso mai riportato.
"Maggiore è la precisione, più severo è il test per l'interpretazione teorica. Devi essere abbastanza severo da competere con altri metodi per accedere alla fisica di PREX-II e CREX", ha affermato Robert Michaels, vicedirettore del Jefferson Lab per le sale A /C. "Un test impreciso non avrebbe alcun impatto scientifico."
Pensa al polarimetro Compton come a una fossa per gli elettroni che escono dal CEBAF a forma di pista.
I magneti deviano gli elettroni lungo questa deviazione, dove il raggio si sovrappone a un laser verde tra superfici riflettenti all'interno di una cavità ottica risonante. Quando il laser è bloccato, il raggio di elettroni si disperde con la luce e crea fotoni ad alta energia.
I fotoni vengono catturati da un rilevatore, che in questo caso è essenzialmente un cristallo cilindrico con un tubo fotomoltiplicatore che trasmette il segnale luminoso al sistema di acquisizione dati.
La differenza tra il numero di colpi quando gli elettroni vengono girati da uno stato longitudinale in avanti a uno all'indietro è proporzionale alla polarizzazione del fascio. Ciò presuppone che la polarizzazione del laser sia costante.
"C'è un'energia massima quando si elabora la cinematica di base di due cose che si scontrano l'una con l'altra alla velocità della luce", ha detto la coautrice Allison Zec, che ha lavorato nel team del professor Kent Paschke di fisica dell'Università della Virginia ed è ora ricercatrice post-dottorato presso l'Università del New Hampshire.
La sua tesi di dottorato si è concentrata in parte sul polarimetro Compton negli esperimenti PREX-II e CREX, per i quali ha vinto il prestigioso Jefferson Science Associates Thesis Prize 2022.
"La massima energia che si può ottenere è quando l'elettrone entra e il fotone gli arriva direttamente, e il fotone viene disperso a 180 gradi", ha detto Zec. "Questo è ciò che chiamiamo il bordo Compton. Tutto viene misurato fino a quel bordo Compton e più in basso."
Aggiungendo una serie di calcoli e controlli sperimentali è stata raggiunta la precisione relativa dello 0,36%.
"Fondamentalmente è stato l'allineamento delle stelle nel modo di cui avevamo bisogno", ha detto Zec, "ma non senza il duro lavoro per dimostrare che eravamo in grado di arrivarci. Ci è voluta un po' di fortuna, un po' di olio di gomito, molta attenzione, riflessione attenta e un po' di creatività."
Per la prima volta, la precisione ha raggiunto un livello richiesto per i futuri esperimenti di punta del Jefferson Lab, come MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Reaction). MOLLER, che è in fase di progettazione e costruzione, misurerà la carica debole di un elettrone come una sorta di test del Modello Standard della fisica delle particelle. Richiederà la polarimetria del fascio di elettroni con una precisione relativa dello 0,4%.
Il Modello Standard è una teoria che tenta di descrivere le particelle subatomiche, come quark e muoni, insieme alle quattro forze fondamentali:forte, debole, elettromagnetica e gravità.
"Le cose che puoi calcolare con il Modello Standard sono fenomenali", ha detto Dalton.
Ma il Modello Standard non è completo.
"Non spiega cos'è la materia oscura. Non spiega da dove provenga la violazione di CP (parità di coniugazione di carica), o perché nell'universo ci sia principalmente materia e non antimateria", ha continuato Dalton.
Ogni forza fondamentale trasporta una cosiddetta "carica", che ne determina l'intensità o la forza con cui una particella percepisce la forza. I teorici possono utilizzare il Modello Standard per calcolare la carica della forza debole sull'elettrone, mentre MOLLER lo misurerebbe fisicamente e cercherebbe eventuali deviazioni dalla teoria.
"Lo slogan è sempre 'la fisica oltre il modello standard'", ha detto Gaskell. "Cerchiamo particelle o interazioni che possano aprire una finestra su cose che mancano nella nostra descrizione dell'universo."
Un altro progetto con forti requisiti di polarimetria è l'Electron-Ion Collider (EIC), un acceleratore di particelle che sarà costruito presso il Brookhaven National Laboratory di New York con l'aiuto del Jefferson Lab.
L'EIC farà collidere gli elettroni con i protoni o i nuclei atomici più pesanti per sondare il loro funzionamento interno e ottenere informazioni sulle forze che li legano.
"Non vedo l'ora di vedere il polarimetro Compton sviluppato per cose come l'EIC", ha detto Zec. "Questi requisiti saranno molto diversi perché si tratta di un collisore, dove le stesse particelle passano di tanto in tanto. Ciò richiederà misurazioni ulteriori e precise perché molti di questi esperimenti necessitano di comprimerlo per abbassare le loro sorgenti." di incertezza."
Il risultato pone inoltre le basi per altri esperimenti di violazione della parità in arrivo al Jefferson Lab, come SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).
Questi esperimenti proposti sono discussi in "Una nuova era di scoperte:il piano a lungo termine 2023 per la scienza nucleare". Questo documento include le priorità di ricerca raccomandate per il prossimo decennio in fisica nucleare, come proposto dal Comitato consultivo per la scienza nucleare. L'NSAC è composto da un gruppo eterogeneo di scienziati nucleari esperti incaricati dal DOE e dalla National Science Foundation (NSF) di fornire raccomandazioni sulla futura ricerca nel campo.
I fisici nucleari sperimentali possono sentirsi molto più sicuri dei loro risultati con questa nuova conferma della polarimetria di precisione che può essere ottenuta con i fasci di elettroni.
"Ha sfondato una barriera", ha detto Zec. "Renderà i nostri risultati più significativi e renderà il Jefferson Lab una struttura più forte per lo studio della fisica in futuro."
Ulteriori informazioni: A. Zec et al, Polarimetria Compton ad altissima precisione a 2 GeV, Physical Review C (2024). DOI:10.1103/PhysRevC.109.024323
Informazioni sul giornale: Revisione fisica C
Fornito da Thomas Jefferson National Accelerator Facility
