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(noticias nanowerk) Los científicos están obteniendo conocimientos más detallados que nunca sobre los electrones que utilizan en experimentos de precisión.
Los físicos nucleares de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE.UU. han batido un récord de casi 30 años al medir el espín paralelo dentro de un haz de electrones (o, para abreviar, polarimetría del haz de electrones). El éxito prepara el escenario para experimentos de alto perfil en el Laboratorio Jefferson que podrían abrir la puerta a nuevos descubrimientos en física.
En un artículo revisado por pares publicado en la revista Control físico C (“Polarimetría Compton de ultra alta precisión a 2 GeV”), una colaboración entre investigadores del Laboratorio Jefferson y usuarios científicos, informó una medición que es más precisa que un punto de referencia tomado durante la ejecución del experimento SLAC Large Detector (SLD) en SLAC Nationally Lo logrado en 1994-1995 se logró en el laboratorio del acelerador en Menlo Park, California.
«Nadie ha medido la polarización de un haz de electrones con esta precisión en ningún laboratorio del mundo», dijo Dave Gaskell, físico nuclear experimental del Laboratorio Jefferson y coautor del artículo. “Ese es el titular aquí. Este es un punto de referencia no sólo para la polarimetría Compton, sino para cualquier técnica para medir la polarización electrónica”.
La polarimetría Compton implica la detección de fotones (partículas de luz) que son dispersados por partículas cargadas como los electrones. Esta dispersión, también llamada efecto Compton, se puede lograr enviando una 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, esta cantidad se llama polarización. Y para los físicos que estudian el corazón de la materia en las escalas más pequeñas, el conocimiento de esta polarización es crucial.
«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? Para entender una medida, hay que entender la regla. De lo contrario no se puede medir nada”.
Beneficio secundario
La precisión ultraalta se logró durante el Experimento de radio de calcio (CREX), que se llevó a cabo junto con el Experimento de radio de plomo (PREX-II) para estudiar los núcleos de átomos medianos y pesados para obtener información sobre 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 medianos y pesados suelen requerir más neutrones que protones para permanecer estables.
PREX-II y CREX se centraron cada uno en el plomo-208 con 82 protones y 126 neutrones y el calcio-48 con 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 el borde y forman una especie de «piel».
Los experimentos encontraron 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 llevaron a cabo con una precisión de cienmillonésimas 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 1.800 científicos en todo el mundo.
«La colaboración entre CREX y PREX-II consistía en conocer la polarización tan bien que pudiéramos dedicar el tiempo del haz a una medición de alta calidad», dijo Gaskell. «Y aprovechamos al máximo este tiempo».
Algo de incertidumbre
Durante CREX, la polarización del haz de electrones se midió continuamente utilizando polarimetría Compton con una precisión del 0,36%. Esto supera el 0,5% informado durante el experimento SLD de SLAC.
En este sentido, un número menor es mejor porque los porcentajes representan la suma de todas las incertidumbres sistemáticas (aquellas que surgen del diseño de un experimento). Esto puede incluir energía absoluta del haz, diferencias de posición y conocimiento de la polarización del láser. Otras fuentes de incertidumbre son de naturaleza estadística, lo que significa que pueden reducirse a medida que se recopilan más datos.
«La incertidumbre es tan fundamental que es casi imposible de describir porque no sabemos nada con precisión infinita», dijo Dalton. “Siempre que hacemos una medición, tenemos que especificar una incertidumbre. De lo contrario, nadie sabrá cómo interpretarlo”.
En muchos experimentos que utilizan CEBAF, el conocimiento de la polarización del haz de electrones es la principal fuente de incertidumbre sistemática. El equipo de CREX utilizó el polarímetro Compton para reducir lo desconocido al valor más bajo jamás registrado.
“Cuanto mayor sea la precisión, más estricta será la prueba de la interpretación teórica. Deben ser lo suficientemente rigurosos para competir con otros métodos de acceso a la física de PREX-II y CREX”, dijo Robert Michaels, subdirector del Laboratorio Jefferson para Halls A/C. «Una prueba inexacta no tendría impacto científico».
como se hizo
Piense en el polarímetro Compton como un pozo para los electrones que salen del CEBAF con forma de pista de carreras.
Los imanes redirigen los electrones a lo largo de este desvío, donde el rayo láser verde se superpone entre las superficies reflectantes en una cavidad óptica resonante. Cuando el láser está bloqueado, el haz de electrones se dispersa con la luz y produce 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 transmite 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 un estado 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 fundamental de dos cosas que chocan casi a la velocidad 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 estudiante postdoctoral. becario de la Universidad de New Hampshire. Su trabajo 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 cantidad de energía que se puede obtener es cuando llega el electrón y el fotón lo golpea directamente y el fotón se dispersa 180 grados», dijo Zec. “Eso es lo que llamamos Compton Rim. Todo se mide hasta Compton Rim e inferiores”.
Agregue una serie de cálculos y controles experimentales y se logró la 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 éramos capaces de llegar allí». Fue necesario un poco de suerte, un poco de esfuerzo, mucho esfuerzo. atención, pensamiento cuidadoso y un poco de creatividad”.
Preparando el escenario
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. Esto requiere 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», dijo Dalton.
Pero el modelo estándar no está completo.
“No explica qué es la materia oscura. «No explica de dónde viene la violación de la paridad de conjugación de carga ni por qué hay principalmente materia y nada de antimateria en el universo», continuó Dalton.
Cada fuerza fundamental lleva lo que se llama una «carga», que determina su fuerza, o la intensidad con la que una partícula siente la fuerza. Los teóricos pueden utilizar el modelo estándar para calcular la carga de la fuerza débil sobre el electrón, mientras que MOLLER la mediría físicamente y buscaría desviaciones de la teoría.
«La palabra de moda siempre es ‘física más allá del modelo estándar'», dijo Gaskell. «Buscamos partículas o interacciones que puedan abrir una ventana a cosas que faltan en nuestra descripción del universo».
Otro proyecto con altas exigencias en polarimetría es el Colisionador de iones de electrones (EIC), un acelerador de partículas que se está construyendo con la ayuda del Laboratorio Jefferson del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York.
El EIC colisionará electrones con protones, o núcleos atómicos más pesados, para estudiar su funcionamiento interno y comprender mejor las fuerzas que los unen.
«No puedo esperar a ver cómo se desarrolla el polarímetro Compton para cosas como el EIC», dijo Zec. “Estos requisitos serán muy diferentes porque se trata de un colisionador por el que pasan una y otra vez las mismas partículas. Esto requiere mediciones adicionales y precisas porque muchos de estos experimentos deben debilitarse para reducir sus fuentes de incertidumbre”.
El resultado también prepara el escenario para otros experimentos de violación de paridad que llegan al 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 proporciona 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 experimentados encargados por el DOE y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para brindar recomendaciones para futuras investigaciones en esta área.
Con esta nueva confirmación de la polarimetría de precisión que se puede lograr con haces de electrones, los físicos nucleares experimentales pueden tener mucha más confianza en sus resultados.
«Rompió una barrera», dijo Zec. «Hará que nuestros resultados sean más significativos y hará que Jefferson Lab sea una instalación más sólida para la física del futuro».
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