Los científicos están obteniendo una visión más detallada que nunca de los electrones que utilizan en experimentos de precisión.
Los físicos nucleares de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de Estados Unidos han superado un récord de casi 30 años de antigüedad en la medición del espín paralelo dentro de un haz de electrones (o polarimetría del haz de electrones, para abreviar). El logro sienta las bases para experimentos de alto perfil en el Laboratorio Jefferson que podrían abrir la puerta a nuevos descubrimientos en física.
En un artículo publicado en Physical Review C , una colaboración de investigadores y usuarios científicos del Laboratorio Jefferson informó una medición más precisa que un punto de referencia logrado durante la ejecución de 1994-95 del experimento SLAC Large Detector (SLD) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Menlo Park, California.
"Nadie ha medido la polarización de un haz de electrones con esta precisión en ningún laboratorio, en ningún lugar del mundo", dijo Dave Gaskell, físico nuclear experimental del Laboratorio Jefferson y coautor del artículo. "Ese es el titular aquí. Esto no es sólo un punto de referencia para la polarimetría Compton sino para cualquier técnica de medición de la polarización electrónica".
La polarimetría Compton implica detectar fotones (partículas de luz) dispersados por partículas cargadas, como los electrones. Esa dispersión, también conocida como efecto Compton, se puede lograr enviando luz láser y un haz de electrones en curso de colisión.
Los electrones (y los fotones) tienen una propiedad llamada espín (que los físicos miden como momento angular). Al igual que la masa o la carga eléctrica, el espín es una propiedad intrínseca del electrón. Cuando las partículas giran en la misma dirección en un momento dado, la cantidad se conoce como polarización. El conocimiento de esa polarización es crucial para los físicos que exploran el corazón de la materia en las escalas más pequeñas.
"Piense en el haz de electrones como una herramienta que se utiliza para medir algo, como una regla", dijo Mark Macrae Dalton, otro físico del Laboratorio Jefferson y coautor del artículo. "¿Está en pulgadas o en milímetros? Tienes que entender la regla para entender cualquier medida. De lo contrario, no podrás medir nada".
La precisión ultraalta se logró durante el Experimento de radio de calcio (CREX), realizado en conjunto con el Experimento de radio de plomo (PREX-II) para sondear los núcleos de átomos de peso medio y pesado para conocer la estructura de su "piel de neutrones". ."
La "piel de neutrones" se refiere a la distribución de protones y neutrones dentro de los núcleos de los átomos más densos. Los elementos más ligeros (generalmente aquellos con un número atómico de 20 o menos en la tabla periódica) suelen tener el mismo número de protones y neutrones. Los átomos de peso medio y pesado suelen necesitar más neutrones que protones para permanecer estables.
PREX-II y CREX se centraron respectivamente en el plomo-208, que tiene 82 protones y 126 neutrones, y el calcio-48, que tiene 20 protones y 28 neutrones. En estos átomos, un número relativamente igual de protones y neutrones se agrupan alrededor del núcleo del núcleo, mientras que los neutrones adicionales son empujados hacia la periferia, formando una especie de "piel".
Los experimentos determinaron que el plomo-208 tiene una piel de neutrones algo gruesa, lo que tiene implicaciones para las propiedades de las estrellas de neutrones. La piel del Calcio-48, por el contrario, es comparativamente delgada y confirma algunos cálculos teóricos. Estas mediciones se realizaron con una precisión de cientos de millonésimas de nanómetro.
PREX-II y CREX se ejecutaron de 2019 a 2020 en la Sala A de la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuo del Laboratorio Jefferson, una instalación única para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que respalda la investigación de más de 1800 científicos en todo el mundo.
"La colaboración CREX y PREX-II se preocupó por conocer la polarización lo suficientemente bien como para dedicar el tiempo del haz a realizar una medición de alta calidad", dijo Gaskell. "Y aprovechamos ese tiempo al máximo".
Durante CREX, la polarización del haz de electrones se midió continuamente mediante polarimetría Compton con una precisión del 0,36%. Eso superó el 0,5 % informado durante el experimento SLD de SLAC.
En estos términos, el número más pequeño es mejor porque los porcentajes representan la suma de todas las incertidumbres sistemáticas (aquellas creadas por la configuración de un experimento). Pueden incluir energía absoluta del haz, diferencias de posición y conocimiento de la polarización láser. Otras fuentes de incertidumbre son estadísticas, lo que significa que pueden reducirse a medida que se recopilan más datos.
"La incertidumbre es tan fundamental que es difícil incluso describirla porque no hay nada que sepamos con precisión infinita", dijo Dalton. "Cada vez que hacemos una medición, debemos ponerle una incertidumbre. De lo contrario, nadie sabrá cómo interpretarla."
En muchos experimentos que involucran CEBAF, la fuente dominante de incertidumbre sistemática es el conocimiento de la polarización del haz de electrones. El equipo de CREX utilizó el polarímetro Compton para llevar esa incógnita al nivel más bajo jamás registrado.
"Cuanto mayor sea la precisión, más estricta será la prueba para la interpretación teórica. Debe ser lo suficientemente estricto para competir con otros métodos para acceder a la física de PREX-II y CREX", dijo Robert Michaels, líder adjunto del Laboratorio Jefferson para los pabellones A. /C. "Una prueba imprecisa no tendría impacto científico."
Piense en el polarímetro Compton como una vía de acceso para los electrones que salen del CEBAF con forma de pista de carreras.
Los imanes desvían los electrones a lo largo de este desvío, donde el haz se superpone con un láser verde entre superficies reflectantes dentro de una cavidad óptica resonante. Cuando el láser está bloqueado, el haz de electrones se dispersa con la luz y crea fotones de alta energía.
Los fotones son capturados por un detector, que en este caso es esencialmente un cristal cilíndrico con un tubo fotomultiplicador que pasa la señal luminosa al sistema de adquisición de datos.
La diferencia entre el número de impactos cuando los electrones pasan de un estado longitudinal hacia adelante a uno hacia atrás es proporcional a la polarización del haz. Esto supone que la polarización del láser es constante.
"Hay una energía máxima cuando se calcula la cinemática básica de dos cosas que chocan entre sí a una velocidad cercana a la de la luz", dijo la coautora Allison Zec, quien trabajó en el equipo del profesor de física Kent Paschke de la Universidad de Virginia y ahora es investigadora postdoctoral en la Universidad de New Hampshire.
Su tesis doctoral se centró en parte en el polarímetro Compton en los experimentos PREX-II y CREX, por el que ganó el prestigioso Premio de Tesis Jefferson Science Associates 2022.
"La mayor energía que se puede obtener es cuando el electrón entra y el fotón se dirige directamente hacia él, y el fotón se dispersa a 180 grados", dijo Zec. "Eso es lo que llamamos el borde de Compton. Todo se mide hasta ese borde de Compton y más abajo".
Agregue un conjunto de cálculos y controles experimentales y se logró una precisión relativa del 0,36 %.
"Básicamente, las estrellas se alinearon de la manera que necesitábamos", dijo Zec, "pero no sin el arduo trabajo para demostrar que pudimos llegar allí. Fue necesario un poco de suerte, un poco de esfuerzo, mucha atención, pensamiento cuidadoso y un poco de creatividad."
Por primera vez, la precisión alcanzó el nivel requerido para futuros experimentos emblemáticos en el Laboratorio Jefferson, como MOLLER (Medición de una reacción electrodébil leptón-leptón). MOLLER, que se encuentra en fase de diseño y construcción, medirá la carga débil de un electrón como una especie de prueba del Modelo Estándar de física de partículas. Requerirá polarimetría de haz de electrones con una precisión relativa del 0,4%.
El Modelo Estándar es una teoría que intenta describir partículas subatómicas, como quarks y muones, junto con las cuatro fuerzas fundamentales:fuerte, débil, electromagnética y gravedad.
"Las cosas que se pueden calcular con el modelo estándar son fenomenales", afirmó Dalton.
Pero el modelo estándar no está completo.
"No explica qué es la materia oscura. No explica de dónde viene la violación de la CP (paridad de conjugación de carga), ni por qué en el universo hay principalmente materia y no antimateria", continuó Dalton.
Cada fuerza fundamental lleva una llamada "carga", que dicta su fuerza o con qué fuerza una partícula siente la fuerza. Los teóricos pueden usar el modelo estándar para calcular la carga de la fuerza débil en el electrón, mientras que MOLLER la mediría físicamente y buscaría desviaciones de la teoría.
"El eslogan siempre es 'física más allá del modelo estándar'", dijo Gaskell. "Estamos buscando partículas o interacciones que puedan abrir una ventana a cosas que faltan en nuestra descripción del universo."
Otro proyecto con fuertes requisitos de polarimetría es el Colisionador de iones de electrones (EIC), un acelerador de partículas que se construirá en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York con la ayuda del Laboratorio Jefferson.
El EIC colisionará electrones con protones o núcleos atómicos más pesados para sondear su funcionamiento interno y obtener información sobre las fuerzas que los unen.
"No puedo esperar a ver que se desarrolle el polarímetro Compton para cosas como el EIC", dijo Zec. "Esos requisitos van a ser muy diferentes porque está en un colisionador, donde las mismas partículas pasan de vez en cuando. Eso requerirá mediciones más precisas porque muchos de estos experimentos necesitan apisonarlos para reducir sus fuentes. de incertidumbre."
El resultado también sienta las bases para otros experimentos de violación de paridad que se realizarán en el Laboratorio Jefferson, como SoLID (Dispositivo Solenoide de Gran Intensidad).
Estos experimentos propuestos se analizan en "Una nueva era de descubrimientos:el plan de largo alcance para la ciencia nuclear 2023". Este documento incluye prioridades de investigación recomendadas para la próxima década en física nuclear, según lo propuesto por el Comité Asesor de Ciencias Nucleares. NSAC está compuesto por un grupo diverso de científicos nucleares expertos a quienes el DOE y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) les encargaron brindar recomendaciones sobre futuras investigaciones en este campo.
Los físicos nucleares experimentales pueden sentirse mucho más seguros acerca de sus resultados con esta nueva confirmación de la polarimetría de precisión que se puede lograr con haces de electrones.
"Ha atravesado una barrera", dijo Zec. "Esto hará que nuestros resultados sean más significativos y hará que Jefferson Lab sea una instalación más sólida para hacer física en el futuro".
Más información: A. Zec et al, Polarimetría Compton de ultraalta precisión a 2 GeV, Physical Review C (2024). DOI:10.1103/PhysRevC.109.024323
Información de la revista: Revisión física C
Proporcionado por el Fondo del Acelerador Nacional Thomas Jefferson
