פתיחת גבולות חדשים בפיזיקה עם מדידות ספין אלקטרונים הקובעות שיא

מדידת קיטוב קרן האלקטרונים היא החדה ביותר שדווחה אי פעם, מכינה את הבמה לניסויי דגל עתידיים במעבדת ג'פרסון.

מדענים מקבלים מבט מפורט יותר מאי פעם על האלקטרונים שהם משתמשים בהם בניסויים מדויקים.

פיזיקאים גרעיניים עם מתקן האצה הלאומי תומס ג'פרסון של משרד האנרגיה האמריקני ניפצו שיא בן כמעט 30 שנה למדידת ספין מקביל בתוך קרן אלקטרונים – או בקיצור פולרימטריה של קרן אלקטרונים. ההישג מכין את הבמה לניסויים בעלי פרופיל גבוה במעבדת ג'פרסון שיכולים לפתוח את הדלת לתגליות פיזיקה חדשות.

במאמר שפורסם ב-23 בפברואר בכתב העת סקירה פיזית גשיתוף פעולה של חוקרי מעבדת ג'פרסון ומשתמשים מדעיים דיווח על מדידה מדויקת יותר מאשר אמת מידה שהושגה במהלך 1994-95 הרצה של ניסוי SLAC Large Detector (SLD) במעבדת האצה הלאומית של SLAC במנלו פארק, קליפורניה.

"אף אחד לא מדד את הקיטוב של קרן אלקטרונים בדיוק הזה במעבדה כלשהי, בכל מקום בעולם", אמר דייב גאסקל, פיזיקאי גרעיני ניסיוני במעבדת ג'פרסון ומחבר שותף בעיתון. "זו הכותרת כאן. זה לא רק אמת מידה לפולרימטריית קומפטון, אלא לכל טכניקת מדידת קיטוב אלקטרונים."

פולרימטריית קומפטון כוללת זיהוי פוטונים – חלקיקי אור – המפוזרים על ידי חלקיקים טעונים, כגון אלקטרונים. את הפיזור הזה, הלא הוא אפקט קומפטון, ניתן להשיג על ידי שליחת אור לייזר וקרן אלקטרונים במסלול התנגשות.

אלקטרונים – ופוטונים – נושאים תכונה הנקראת ספין (שפיזיקאים מודדים כתנע זוויתי). כמו מסה או מטען חשמלי, ספין הוא תכונה מהותית של האלקטרון. כאשר חלקיקים מסתובבים באותו כיוון בזמן נתון, הכמות ידועה כקיטוב. ולפיזיקאים הבודקים את לב החומר בקנה מידה זעיר ביותר, ידע על הקיטוב הזה הוא חיוני.

"תחשוב על קרן האלקטרונים ככלי שאתה משתמש בו כדי למדוד משהו, כמו סרגל," אמר מארק מקרי דלטון, פיזיקאי נוסף של מעבדת ג'פרסון ומחבר שותף בעיתון. "האם זה באינצ'ים או זה במילימטרים? אתה צריך להבין את הסרגל כדי להבין כל מדידה. אחרת, אתה לא יכול למדוד שום דבר".

תועלת שולית

הדיוק האולטרה-גבוה הושג במהלך ניסוי רדיוס הסידן (CREX), שנערך במקביל לניסוי רדיוס העופרת (PREX-II) כדי לחקור את הגרעינים של אטומים בעלי משקל בינוני וכבד לקבלת תובנה על מבנה "עור הנייטרונים" שלהם ."

"עור ניוטרונים" מתייחס להפצה של פרוטונים וניוטרונים בתוך גרעינים של אטומים צפופים יותר. ליסודות קלים יותר – בדרך כלל אלה עם מספר אטומי של 20 ומטה בטבלה המחזורית – לרוב יש מספר שווה של פרוטונים וניוטרונים. אטומים בעלי משקל בינוני וכבד בדרך כלל זקוקים ליותר נויטרונים מאשר פרוטונים כדי להישאר יציבים.

PREX-II ו-CREX התמקדו בהתאמה בעופרת-208, בעלת 82 פרוטונים ו-126 נויטרונים, וסידן-48, בעלת 20 פרוטונים ו-28 נויטרונים. באטומים אלה, מספר שווה יחסית של פרוטונים וניוטרונים מתקבצים סביב ליבת הגרעין בעוד שהנייטרונים הנוספים נדחפים אל השוליים – ויוצרים מעין "עור".

הניסויים קבעו שלעופרת-208 יש עור נויטרונים עבה משהו, מה שמוביל להשלכות על תכונותיהם של כוכבי נויטרונים. העור של סידן-48, לעומת זאת, דק יחסית ומאשר כמה חישובים תיאורטיים. מדידות אלו נעשו בדיוק של מאות מיליוניות ננומטר.

PREX-II ו-CREX פעלו בין השנים 2019 ל-2020 באולם A של מתקן ה-Continuous Electron Beam Accelerator של מעבדת ג'פרסון, מתקן משתמש ייחודי של DOE Office of Science התומך במחקר של יותר מ-1,800 מדענים ברחבי העולם.

"שיתוף הפעולה של CREX ו-PREX-II דאג לדעת את הקיטוב מספיק טוב כדי שהקדשנו את זמן האלומה לביצוע מדידה באיכות גבוהה", אמר גאסקל. "וניצלנו עד תום את הזמן הזה."

אי ודאות מסויימת

במהלך CREX, הקיטוב של קרן האלקטרונים נמדד ברציפות באמצעות פולארימטריית קומפטון בדיוק של 0.36%. זה עבר את ה-0.5% שדווחו במהלך ניסוי SLD של SLAC.

במונחים אלה, המספר הקטן יותר הוא טוב יותר מכיוון שהאחוזים מייצגים את סכום כל אי הוודאות השיטתית – אלה שנוצרו על ידי מערך הניסוי. הם יכולים לכלול אנרגיית קרן מוחלטת, הבדלי מיקום וידע על קיטוב הלייזר. מקורות אחרים לאי ודאות הם סטטיסטיים, כלומר ניתן לצמצם אותם ככל שנאספים יותר נתונים.

"אי הוודאות היא כל כך מהותית, שקשה אפילו לתאר אותה כי אין דבר שאנו יודעים בדיוק אינסופי", אמר דלטון. "בכל פעם שאנחנו מבצעים מדידה, אנחנו צריכים לשים עליה אי ודאות. אחרת, אף אחד לא יידע לפרש את זה".

בניסויים רבים הכוללים CEBAF, המקור הדומיננטי לאי ודאות שיטתית הוא הידע על הקיטוב של קרן האלקטרונים. צוות CREX השתמש בפולארימטר של קומפטון כדי להביא את הבלתי ידוע לרמה הנמוכה ביותר שדווחה אי פעם.

"ככל שהדיוק גבוה יותר, כך מבחן קפדני יותר לפירוש תיאורטי. אתה חייב להיות קפדני מספיק כדי להתחרות בשיטות אחרות לגישה לפיזיקה של PREX-II ו-CREX", אמר רוברט מייקלס, סגן המנהיג של מעבדת ג'פרסון עבור Halls A/C. "לבדיקה לא מדויקת לא תהיה השפעה מדעית."

איך זה נעשה

חשבו על מד הקוטב של קומפטון כעל דרך בור לאלקטרונים היוצאים מה- CEBAF בצורת מסלול המירוצים.

מגנטים מסיטים את האלקטרונים לאורך המעקף הזה, שבו הקרן חופפת בלייזר ירוק בין משטחים מחזירים בתוך חלל אופטי מהדהד. כאשר הלייזר נעול, אלומת האלקטרונים מתפזרת עם האור ויוצרת פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

הפוטונים נלכדים על ידי גלאי, שבמקרה זה הוא בעצם גביש גלילי עם צינור פוטו-מכפיל המעביר את אות האור למערכת רכישת הנתונים.

ההבדל בין מספר הפגיעות כאשר האלקטרונים מופנים ממצב אורך קדימה למצב אחורה הוא פרופורציונלי לקיטוב האלומה. זה מניח שהקיטוב של הלייזר קבוע.

"יש אנרגיה מקסימלית כשאתה מעבד את הקינמטיקה הבסיסית של שני דברים שמתנגשים זה בזה במהירות האור כמעט", אמרה שותפה לכותבת אליסון זק, שעבדה בצוות של פרופסור קנט פאשקה לפיזיקה באוניברסיטת וירג'יניה וכיום היא חוקרת פוסט-דוקטורט ב- אוניברסיטת ניו המפשייר. עבודת הדוקטורט שלה התמקדה בחלקה בקוטבימטר קומפטון בניסויי PREX-II ו-CREX, שעליהם זכתה בפרס היוקרתי לשנת 2022 של Jefferson Science Associates.

"האנרגיה הגדולה ביותר שאתה יכול לקבל היא כאשר האלקטרון נכנס וה- פוטון מגיע ישר אליו, והפוטון מתפזר ב-180 מעלות", אמר זק. "זה מה שאנחנו מכנים את הקצה של קומפטון. הכל נמדד לאותו קצה קומפטון ומטה".

זרקו חבילה של חישובים ובקרות ניסוי, והושג הדיוק היחסי של 0.36%.

"זה בעצם היו הכוכבים שהתיישרו בצורה שהיינו צריכים", אמר זק, "אבל לא בלי העבודה הקשה כדי להוכיח שהצלחנו להגיע לשם. זה לקח קצת מזל, קצת שומן מרפקים, הרבה תשומת לב, מחשבה זהירה וקצת יצירתיות".

הגדרת הבמה

לראשונה, הדיוק הגיע לרמה הנדרשת לניסויי דגל עתידיים במעבדת ג'פרסון, כמו MOLLER (מדידה של תגובת Lepton-Lepton Electroweak). MOLLER, שנמצאת בשלב התכנון והבנייה, תמדוד את המטען החלש על אלקטרון כמעין מבחן של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. זה ידרוש פולרימטריה של קרן אלקטרונים בדיוק יחסי של 0.4%.

המודל הסטנדרטי הוא תיאוריה המנסה לתאר חלקיקים תת-אטומיים, כמו קווארקים ומיואונים, יחד עם ארבעת הכוחות הבסיסיים: חזק, חלש, אלקטרומגנטי וכוח הכבידה.

"הדברים שאתה יכול לחשב עם המודל הסטנדרטי הם פנומנליים", אמר דלטון.

אבל המודל הסטנדרטי אינו שלם.

"זה לא מסביר מהו חומר אפל. זה לא מסביר מאיפה נובעת הפרת CP (שווי צימוד מטען), או מדוע יש בעיקר חומר ביקום ולא אנטי-חומר", המשיך דלטון.

כל כוח יסודי נושא מה שנקרא "מטען", שמכתיב את עוצמתו או את עוצמת התחושה של חלקיק בכוח. תיאורטיקנים יכולים להשתמש במודל הסטנדרטי כדי לחשב את מטען הכוח החלש על האלקטרון, בעוד שמולר היה מודד אותו פיזית ומחפש סטייה מהתיאוריה.

"משפט הקץ הוא תמיד 'פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי'", אמר גאסקל. "אנחנו מחפשים חלקיקים או אינטראקציות שעשויות לפתוח צוהר לדברים שחסרים בתיאור שלנו של היקום."

פרויקט נוסף עם דרישות פולארימטריה חזקות הוא מאיץ האלקטרון-יון (EIC), מאיץ חלקיקים שייבנה במעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו יורק בעזרת מעבדת ג'פרסון.

ה-EIC יתנגש אלקטרונים עם פרוטונים או גרעיני אטום כבדים יותר כדי לחקור את פעולתם הפנימית ולהשיג תובנה לגבי הכוחות הקושרים אותם.

"אני לא יכול לחכות לראות את הקוטב של קומפטון מפותח עבור דברים כמו EIC," אמר זק. "הדרישות האלה יהיו שונות מאוד כי זה נמצא במתנגשות, שבה אותם חלקיקים עוברים כל כמה זמן. זה ידרוש מדידות נוספות ומדויקות מכיוון שכל כך הרבה מהניסויים האלה צריכים להדביק אותם כדי להוריד את מקורות אי הוודאות שלהם".

התוצאה גם מכינה את הקרקע לניסויים אחרים של הפרת זוגיות המגיעים למעבדת ג'פרסון, כגון SoLID (התקן בעוצמה גדולה בעוצמה סולנית).

הניסויים המוצעים הללו נדונים ב"עידן חדש של גילוי: תוכנית 2023 לטווח ארוך למדע גרעיני". מסמך זה כולל סדרי עדיפויות מחקריים מומלצים לעשור הבא בפיזיקה גרעינית, כפי שהוצעה על ידי הוועדה המייעצת למדעי הגרעין. NSAC מורכבת מקבוצה מגוונת של מדעני גרעין מומחים שהוטלו על ידי DOE והקרן הלאומית למדע (NSF) לספק המלצות על מחקר עתידי בתחום.

עם האישור החדש הזה לקוטבימטריה המדויקת שניתן להשיג עם קרני אלקטרונים, פיזיקאים גרעיניים ניסיוניים יכולים להרגיש הרבה יותר בטוחים לגבי התוצאות שלהם.

"זה פרוץ דרך מחסום," אמר זק. "זה יהפוך את התוצאות שלנו למשמעותיות יותר, וזה יהפוך את מעבדת ג'פרסון למתקן חזק יותר לעשות פיזיקה בעתיד."