精度打破近30年世界纪录！科学家用激光聚焦观察自旋电子

2024-02-28 11:49

科学家们近日在精密实验中对电子的观察达到了前所未有的细致程度，这得益于他们采用激光聚焦技术进行的创新研究。

日前，美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的核物理学家取得了一项重大突破：他们成功打破了近30年来电子束内平行自旋测量（简称电子束偏振测量）的世界纪录。

这一重大成就为杰斐逊实验室进行的一系列备受关注的实验奠定了坚实基础，这些实验有望为物理学领域带来新的重大发现。

在最新一期《物理评论C》杂志上，杰斐逊实验室的研究人员与科学用户合作，共同报告了他们的测量结果。这些结果比1994-1995年在加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室进行的SLAC大型探测器（SLD）实验所获得的基准测量结果更为精确。

杰斐逊实验室的实验核物理学家、论文的合著者Dave Gaskell表示：“在世界任何地方的任何实验室，都没有人能够如此精确地测量到电子束的极化。这不仅是康普顿极化法的基准，也是任何电子极化测量技术的基准。”

康普顿偏振法是一种通过探测光子（被带电粒子如电子散射的光粒子）来测量电子束极化的方法。这种散射现象（即康普顿效应），可以通过激光和电子束之间的碰撞来实现。

电子和光子都具有一种称为自旋的特性，物理学家使用角动量来描述它。自旋是电子等粒子的固有属性，类似于质量或电荷。当粒子在给定时间内以相同方向旋转时，这个量被称为极化。对于物理学家来说，了解这种极化在探索物质最微小尺度上的核心属性至关重要。

杰斐逊实验室的另一位物理学家、论文的合著者Mark Macrae Dalton形象地比喻道：“把电子束想象成你用来测量东西的工具，就像一把尺子。这把尺子的单位是英寸还是毫米？你必须理解这把尺子才能理解任何测量。否则，你就无法测量任何东西。”

科学家们在钙半径实验(CREX)期间，同步开展了铅半径实验(PREX-II)，从而达成了超高精度的效果，以探测中重原子和重原子的原子核，以了解其“中子皮”的结构。

最终，他们在钙半径实验(CREX)过程中，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 SLD实验中报告的0.5%。

通过打破精度世界纪录并深入探索自旋电子，科学家们为物理学领域带来了新的突破和可能性。这一创新性的研究不仅展示了激光聚焦技术的强大潜力，还为未来的实验和发现奠定了坚实的基础。

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