科学家们比以往任何时候都更详细地了解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近30年来测量电子束内平行自旋的记录，简称电子束偏振法。这一成就为杰斐逊实验室的高调实验奠定了基础，这些实验可能为新的物理学发现打开大门。

在发布在《物理评论C》上的一篇论文中，杰斐逊实验室的研究人员和科学用户合作报告了比1994-95年在加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室进行的SLAC大型探测器实验期间实现的基准更精确的测量。

“没有人在世界任何地方的任何实验室测量过电子束的偏振到这种精度，”杰斐逊实验室的实验核物理学家、该论文的合著者戴夫·加斯克尔说。“这是这里的头条新闻。这不仅是康普顿偏振法的基准，也是任何电子偏振测量技术的基准。

康普顿偏振法涉及检测由带电粒子散射的光子。这种散射，又名康普顿效应，可以通过在碰撞过程中发送激光和电子束来实现。

电子和光子带有一种称为自旋的特性。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同一方向旋转时，该量称为极化。了解这种极化对于物理学家在最小的尺度上探测物质的核心至关重要。

“把电子束想象成你用来测量某物的工具，就像一把尺子，”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·道尔顿说。“是以英寸为单位，还是以毫米为单位?您必须了解尺子才能理解任何测量值。否则，你就无法测量任何东西。

超高精度是在钙半径实验期间实现的，该实验与铅半径实验同时进行，以探测中等重量和重原子的原子核，以深入了解其“中子皮肤”的结构。

“中子表皮”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——通常是元素周期表上原子序数为 20 或更低的元素——通常具有相同数量的质子和中子。中等重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分别专注于具有82个质子和126个中子的铅-208，以及具有20个质子和28个中子的钙-48。在这些原子中，相对相等数量的质子和中子聚集在原子核周围，而额外的中子则被推到边缘，形成一种“皮肤”。

实验确定铅-208具有较厚的中子表皮，从而对中子星的性质产生影响。另一方面，钙-48的皮肤相对较薄，并证实了一些理论计算。这些测量的精度为数亿分之一纳米。

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 厅举行，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 1800 多名科学家的研究。

“CREX 和 PREX-II 的合作非常了解偏振，因此我们投入了光束时间进行高质量的测量，”Gaskell 说。“我们充分利用了这段时间。”

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%。这超过了SLAC的SLD实验期间报告的0.5%。

从这些方面来看，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，这些不确定性是由实验设置产生的不确定性。它们可以包括绝对光束能量、位置差和激光偏振知识。其他不确定性来源是统计学的，这意味着随着收集的数据越来越多，不确定性可以减少。

“不确定性是如此根本，甚至很难描述，因为没有什么是我们知道的无限精确，”道尔顿说。“每当我们进行测量时，我们都需要给它设置不确定性。否则，没有人会知道如何解释它。

在许多涉及CEBAF的实验中，系统不确定性的主要来源是对电子束极化的知识。CREX团队使用康普顿旋光仪将这一未知值降至有史以来的最低水平。

“精度越高，对理论解释的检验就越严格。你必须足够严格，才能与其他方法竞争，以获得PREX-II和CREX的物理特性，“杰斐逊实验室的Halls A / C副负责人Robert Michaels说，”不精确的测试不会产生科学影响。

将康普顿旋光仪想象成电子从赛道形状的CEBAF上脱落的坑道。

磁铁沿着这个迂回转移电子，其中光束在谐振光学腔内的反射表面之间与绿色激光重叠。当激光被锁定时，电子束随光散射并产生高能光子。

光子由探测器捕获，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到数据采集系统。

当电子从正向纵向状态翻转到后向纵向状态时，命中次数之间的差异与光束的偏振成正比。这假设激光的偏振是恒定的。

“当你计算出两个东西以接近光速相互撞击的基本运动学时，就会有一个最大的能量，”合著者Allison Zec说，他曾在弗吉尼亚大学物理学教授Kent Paschke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 实验中的康普顿旋光仪上，为此她获得了享有盛誉的 2022 年杰斐逊科学协会论文奖。

“你能得到的最大能量是当电子进来时，光子直接射向它，光子以180度散射，”Zec说。“这就是我们所说的康普顿边缘。一切都被测量到康普顿边缘甚至更低。

加入一套计算和实验对照，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排列，”Zec说，“但并非没有艰苦的工作来证明我们能够到达那里。这需要一点点运气，一点点肘部润滑脂，很多注意力，仔细思考，还有一点点创造力。

精度首次达到了杰斐逊实验室未来旗舰实验所需的水平，例如MOLLER。MOLLER正处于设计和建造阶段，它将测量电子上的弱电荷，作为粒子物理学标准模型的一种测试。它需要相对精度为0.4%的电子束偏振法。

标准模型是一种试图描述亚原子粒子以及四种基本力的理论：强力、弱力、电磁力和引力。

“你可以用标准模型计算的东西是惊人的，”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违规的来源，也没有解释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”，它决定了它的强度或粒子对力的强烈感受。理论家可以使用标准模型来计算弱力对电子的电荷，而MOLLER则对其进行物理测量并寻找与理论的偏差。

“口号始终是'超越标准模型的物理学'，”盖斯凯尔说。“我们正在寻找粒子或相互作用，这些粒子或相互作用可能会为我们描述宇宙中缺失的事物打开一扇窗。

另一个对偏振法有强烈要求的项目是电子离子对撞机，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将使电子与质子或较重的原子核碰撞，以探测其内部工作原理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之类的东西开发，”Zec说。“这些要求将非常不同，因为它是在对撞机中，相同的粒子经常通过。这将需要进一步精确的测量，因为许多这些实验都需要将其压制以降低其不确定性来源。

该结果还为杰斐逊实验室的其他违反奇偶校验的实验奠定了基础，例如SoLID。

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组成，他们受美国能源部和美国国家科学基金会委托，为该领域的未来研究提供建议。

实验核物理学家可以对他们的结果更有信心，因为这种新的确认可以用电子束实现的精确偏振法。

“它突破了障碍，”Zec说。“这将使我们的研究结果更加重要，并使杰斐逊实验室成为未来更强大的物理设施。