科学家们对精密实验中使用的电子进行了比以往更详细的观察。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近 30 年来测量电子束内平行自旋(简称电子束偏振测量)的记录。这一成就为杰斐逊实验室的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《物理评论 C》上发表的一篇论文中，杰斐逊实验室研究人员和科学用户合作报告了一项比 1994-95 年在门洛 SLAC 国家加速器实验室运行 SLAC 大型探测器 (SLD) 实验期间实现的基准更精确的测量结果公园，加利福尼亚州。

杰斐逊实验室的实验核物理学家、该论文的合著者戴夫·加斯克尔 (Dave Gaskell) 表示：“世界上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。” “这就是这里的标题。这不仅是康普顿偏振测量的基准，也是任何电子偏振测量技术的基准。”

康普顿偏振测量涉及检测被带电粒子(例如电子)散射的光子(光粒子)。这种散射，又称为康普顿效应，可以通过在碰撞过程中发送激光和电子束来实现。

电子和光子具有一种称为自旋的特性(物理学家将其测量为角动量)。与质量或电荷一样，自旋是电子的固有属性。当粒子在给定时间沿相同方向旋转时，其数量称为极化。了解这种极化对于物理学家在最微小的尺度上探索物质的核心至关重要。

杰斐逊实验室的另一位物理学家、该论文的合著者马克·麦克雷·道尔顿 (Mark Macrae Dalton) 表示：“将电子束视为一种用来测量某些东西的工具，比如一把尺子。” “是以英寸为单位，还是以毫米为单位?你必须了解尺子才能理解任何测量。否则，你无法测量任何东西。”

附加福利

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)一起进行，以探测中等重量和重原子的原子核，以深入了解其“中子皮”的结构”。

“中子皮”是指质子和中子在密度较大的原子核内的分布。较轻的元素(通常是元素周期表中原子序数为 20 或更低的元素)通常具有相同数量的质子和中子。中等质量和重原子通常需要比质子更多的中子才能保持稳定。

PREX-II和CREX分别关注具有82个质子和126个中子的铅208和具有20个质子和28个中子的钙48。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，而多余的中子则被推到边缘，形成一种“皮肤”。

实验确定铅 208 具有较厚的中子皮，这对中子星的特性产生了影响。另一方面，Calcium-48 的表皮相对较薄，证实了一些理论计算。这些测量的精度达到亿分之一纳米。

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 A 厅运行，这是一个独特的美国能源部科学办公室用户设施，支持全球 1,800 多名科学家的研究。

“CREX 和 PREX-II 的合作非常注重对偏振的了解，因此我们专门投入了光束时间来进行高质量的测量，”Gaskell 说。“我们充分利用了那段时间。”

一定的不确定性

在 CREX 期间，通过康普顿偏振法连续测量电子束的偏振，精度为 0.36%。这超出了 SLAC 的 SLD 实验期间报告的 0.5%。

从这些角度来说，数字越小越好，因为百分比代表所有系统不确定性的总和——由实验设置产生的不确定性。它们可以包括绝对光束能量、位置差异和激光偏振知识。其他不确定性来源是统计性的，这意味着随着收集更多数据，它们可以减少。

道尔顿说：“不确定性是如此根本，甚至很难描述，因为我们没有任何东西可以无限精确地了解。” “每当我们进行测量时，我们都需要对其施加不确定性。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偏振的知识。CREX 团队使用康普顿旋光计将未知数降至有史以来的最低水平。

“精度越高，对理论解释的测试就越严格。你必须足够严格，才能与其他方法竞争才能了解 PREX-II 和 CREX 的物理原理，”杰斐逊实验室 A 厅副组长罗伯特·迈克尔斯 (Robert Michaels) 说/C。“不精确的测试不会产生任何科学影响。”

是如何完成的

将康普顿旋光计视为电子从跑道形 CEBAF 中出来的坑道。

磁铁沿着这条迂回路线转移电子，其中光束与谐振光学腔内的反射表面之间的绿色激光重叠。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，将光信号传递到数据采集系统。

当电子从向前的纵向状态翻转到向后的纵向状态时，撞击次数之间的差异与电子束的偏振成正比。这假设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碰撞的基本运动学时，就会产生最大能量，”合著者艾莉森·泽克(Allison Zec)说道。新罕布什尔大学。

她的博士论文部分关注 PREX-II 和 CREX 实验中的康普顿旋光计，为此她赢得了著名的 2022 年杰斐逊科学协会论文奖。

Zec 说：“当电子进入并且光子直接向它袭来，并且光子以 180 度散射时，你可以获得最多的能量。” “这就是我们所说的康普顿边缘。一切都测量到康普顿边缘及更低。”

经过一系列计算和实验控制，实现了 0.36% 的相对精度。

“这基本上是星星以我们需要的方式对齐，”泽克说，“但并非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，一点苦劳，大量的关注、仔细的思考和一点点创造力。”

搭建舞台

精度首次达到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)。处于设计和建造阶段的莫勒将测量电子上的弱电荷，作为粒子物理标准模型的一种测试。需要相对精度为 0.4% 的电子束偏振测定法。

标准模型是一种试图描述夸克和μ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。

“用标准模型可以计算出的东西是惊人的，”道尔顿说。

但标准模型并不完整。

“它没有解释暗物质是什么。它没有解释CP(电荷共轭​​宇称)违规从何而来，或者为什么宇宙中主要是物质而不是反物质，”道尔顿继续说道。

每个基本力都带有所谓的“电荷”，它决定了其强度或粒子感受到该力的强度。理论学家可以使用标准模型来计算电子上的弱力电荷，而莫勒则对其进行物理测量并寻找与理论的偏差。

“流行语始终是‘超越标准模型的物理学’，”加斯克尔说。“我们正在寻找粒子或相互作用，它们可能会为我们对宇宙的描述中缺失的事物打开一扇窗户。”

另一个具有强烈偏振测量要求的项目是电子离子对撞机(EIC)，这是一种粒子加速器，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，以探测它们的内部运作并深入了解束缚它们的力。

“我迫不及待地想看到康普顿旋光仪为 EIC 等产品而开发，”Zec 说。“这些要求将会非常不同，因为它是在对撞机中，相同的粒子经常经过。这将需要进一步、精确的测量，因为许多这样的实验需要对其进行压制以降低其来源的不确定性。”

这一结果也为杰斐逊实验室的其他宇称违规实验奠定了基础，例如 SoLID(电磁大强度装置)。

这些拟议的实验在“发现的新时代：2023 年核科学长期计划”中进行了讨论。本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的建议。NSAC 由一群多元化的核科学家专家组成，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。

通过电子束可以实现的精密偏振测量的新证实，实验核物理学家可以对他们的结果更加自信。

“它突破了障碍，”泽克说。“这将使我们的结果更加重要，并且将使杰斐逊实验室成为未来研究物理学的更强大的设施。”

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