Как лазеры помогли измерить спин электрона с невиданной точностью

Спин — это одно из самых загадочных и важных свойств элементарных частиц, таких как электроны и фотоны. Он определяет, как частицы взаимодействуют с фундаментальными силами природы, и может быть использован для тестирования теорий, описывающих микромир. Но как измерить спин электрона с высокой точностью, не нарушая его состояние?

Один из способов — это использовать комптоновскую поляриметрию, метод, основанный на рассеянии света электронами. Этот метод был применен в недавних экспериментах в лаборатории Джефферсона, где ученые достигли рекордной точности в измерении поляризации электронного пучка — величины, характеризующей распределение спинов электронов в одном направлении.

В этой статье мы рассмотрим, как работает комптоновская поляриметрия, зачем она нужна и какие перспективы она открывает для будущих исследований в области ядерной физики и физики частиц.

Что такое спин и поляризация

Спин — это квантовомеханическое свойство частиц, которое можно представить себе как вращение вокруг своей оси. Спин имеет дискретные значения, которые зависят от типа частицы. Например, электроны и фотоны имеют спин 1/2, то есть они могут вращаться только в двух противоположных направлениях, которые мы можем условно назвать «вверх» и «вниз».

Спин частицы определяет ее магнитный момент, то есть способность взаимодействовать с магнитным полем. Кроме того, спин влияет на статистическое поведение частиц, то есть на то, как они распределяются по энергетическим уровням и как они образуют составные системы. Например, частицы с целым спином, такие как фотоны, подчиняются бозе-статистике и могут существовать в одном и том же квантовом состоянии в произвольном количестве. Частицы с полуцелым спином, такие как электроны, подчиняются ферми-статистике и не могут занимать одно и то же квантовое состояние более чем одной частицей. Это принцип Паули, который определяет структуру атомов и молекул.

Поляризация — это величина, характеризующая распределение спинов частиц в пучке или потоке. Если все частицы имеют одинаковый спин, то поляризация равна единице. Если спины частиц распределены равномерно по всем направлениям, то поляризация равна нулю. Поляризация может быть продольной, если спины частиц параллельны направлению движения, или поперечной, если спины частиц перпендикулярны направлению движения.

Поляризация частиц имеет большое значение для физики, так как она влияет на вероятность различных процессов, таких как рассеяние, поглощение, излучение и т. д. Измеряя поляризацию частиц, можно получать информацию о силе и характере их взаимодействия с другими частицами и полями.

Как измерить поляризацию электронов

Один из способов измерить поляризацию электронов — это использовать комптоновскую поляриметрию. Этот метод основан на явлении комптоновского рассеяния, которое заключается в том, что фотон, сталкиваясь с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса, а сам меняет свое направление и длину волны.

Комптоновское рассеяние зависит от спина электрона и фотона, а также от угла между ними. Если фотон и электрон имеют противоположные спины, то вероятность рассеяния выше, чем если они имеют одинаковые спины. Это означает, что измеряя энергию и угол рассеянных фотонов, можно определить поляризацию электронов.

Для этого необходимо создать столкновение между электронным пучком и лазерным лучом, имеющим известную поляризацию. Рассеянные фотоны регистрируются с помощью детектора, который может измерять их энергию и угол. Затем, используя теоретические формулы, можно вычислить поляризацию электронного пучка по данным о рассеянных фотонах.

Как достичь рекордной точности

Измерение поляризации электронов с помощью комптоновской поляриметрии требует высокой точности, так как оно подвержено различным источникам погрешностей. Например, необходимо точно знать энергию и положение электронного пучка, поляризацию и интенсивность лазерного луча, характеристики детектора и оптической полости, в которой происходит рассеяние. Кроме того, необходимо учитывать статистические флуктуации, которые могут быть уменьшены при увеличении количества данных.

В лаборатории Джефферсона ученые смогли достичь рекордной точности в измерении поляризации электронного пучка — 0,36%. Это превосходит предыдущий рекорд — 0,5%, установленный в 1994-95 годах в лаборатории SLAC. Это также соответствует требованиям для будущих экспериментов в лаборатории Джефферсона, таких как MOLLER и EIC, которые будут исследовать слабое взаимодействие и структуру адронов с помощью поляризованных электронов.

Зачем нужна комптоновская поляриметрия

Комптоновская поляриметрия не только позволяет измерить поляризацию электронов, но и использовать ее для проведения различных физических экспериментов, которые могут раскрыть новые явления и законы природы. Например, в лаборатории Джефферсона были проведены эксперименты PREX-II и CREX, которые были посвящены измерению нейтронной «кожи» атомных ядер.

Нейтронная кожа — это слой нейтронов, окружающих ядро атома, в котором количество нейтронов превышает количество протонов. Толщина этого слоя зависит от размера и структуры ядра, а также от силы, которая держит нуклоны вместе. Измерение нейтронной кожи может дать информацию о свойствах ядерной материи, а также о состоянии нейтронных звезд — небесных тел, состоящих из сверхплотной нейтронной субстанции.

Для измерения нейтронной кожи ученые использовали электронный пучок с высокой поляризацией, который рассеивался на ядрах свинца и кальция. При этом они измеряли нарушение паритета — симметрии между левым и правым направлениями в физике. Нарушение паритета проявляется в том, что вероятность рассеяния электронов в одном направлении отличается от вероятности рассеяния в противоположном направлении. Это связано с тем, что электроны взаимодействуют не только с электромагнитным полем ядра, но и со слабым полем, которое нарушает паритет.

Измеряя нарушение паритета, ученые смогли определить толщину нейтронной кожи ядер свинца и кальция с высокой точностью. Они обнаружили, что у свинца нейтронная кожа достаточно толстая, что влияет на свойства нейтронных звезд. У кальция же нейтронная кожа оказалась сравнительно тонкой, что подтвердило некоторые теоретические расчеты. Эти результаты имеют большое значение для понимания ядерной физики и астрофизики.