Os cientistas estão obtendo uma visão mais detalhada do que nunca dos elétrons que usam em experimentos de precisão.



Físicos nucleares do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, do Departamento de Energia dos EUA, quebraram um recorde de quase 30 anos para a medição de spin paralelo dentro de um feixe de elétrons - ou polarimetria de feixe de elétrons, para abreviar. A conquista prepara o terreno para experimentos de alto nível no Jefferson Lab que podem abrir as portas para novas descobertas na física.

Em um artigo publicado na Physical Review C , uma colaboração de pesquisadores do Jefferson Lab e usuários científicos relatou uma medição mais precisa do que um benchmark alcançado durante a execução de 1994-95 do experimento SLAC Large Detector (SLD) no SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia.

“Ninguém mediu a polarização de um feixe de elétrons com esta precisão em qualquer laboratório, em qualquer lugar do mundo”, disse Dave Gaskell, físico nuclear experimental do Jefferson Lab e coautor do artigo. "Essa é a manchete aqui. Esta não é apenas uma referência para a polarimetria Compton, mas para qualquer técnica de medição de polarização de elétrons."

A polarimetria Compton envolve a detecção de fótons – partículas de luz – espalhadas por partículas carregadas, como os elétrons. Essa dispersão, também conhecida como efeito Compton, pode ser alcançada enviando luz laser e um feixe de elétrons em rota de colisão.

Os elétrons – e os fótons – carregam uma propriedade chamada spin (que os físicos medem como momento angular). Assim como a massa ou a carga elétrica, o spin é uma propriedade intrínseca do elétron. Quando as partículas giram na mesma direção em um determinado momento, a quantidade é conhecida como polarização. O conhecimento dessa polarização é crucial para os físicos que investigam o cerne da matéria nas escalas mais ínfimas.

“Pense no feixe de elétrons como uma ferramenta que você está usando para medir algo, como uma régua”, disse Mark Macrae Dalton, outro físico do Jefferson Lab e coautor do artigo. "Está em polegadas ou em milímetros? Você tem que entender a régua para entender qualquer medida. Caso contrário, você não pode medir nada."

Benefício adicional

A precisão ultra-alta foi alcançada durante o Experimento de Raio de Cálcio (CREX), conduzido em conjunto com o Experimento de Raio de Chumbo (PREX-II) para sondar os núcleos de átomos de peso médio e pesados ​​para obter informações sobre a estrutura de sua "pele de nêutrons". ."

"Pele de nêutrons" refere-se à distribuição de prótons e nêutrons dentro dos núcleos de átomos mais densos. Elementos mais leves – geralmente aqueles com número atômico 20 ou inferior na tabela periódica – geralmente têm um número igual de prótons e nêutrons. Átomos de peso médio e pesados ​​normalmente precisam de mais nêutrons do que prótons para permanecerem estáveis.

PREX-II e CREX focaram respectivamente no chumbo-208, que possui 82 prótons e 126 nêutrons, e no cálcio-48, que possui 20 prótons e 28 nêutrons. Nestes átomos, números relativamente iguais de prótons e nêutrons agrupam-se em torno do núcleo do núcleo, enquanto os nêutrons extras são empurrados para a periferia – formando uma espécie de “pele”.

Os experimentos determinaram que o chumbo-208 tem uma pele de nêutrons um tanto espessa, levando a implicações nas propriedades das estrelas de nêutrons. A pele do cálcio-48, por outro lado, é comparativamente fina e confirma alguns cálculos teóricos. Essas medições foram feitas com uma precisão de centenas de milionésimos de nanômetro.

PREX-II e CREX funcionaram de 2019 a 2020 no Hall A do Continuous Electron Beam Accelerator Facility do Jefferson Lab, uma instalação exclusiva para usuários do DOE Office of Science que apoia a pesquisa de mais de 1.800 cientistas em todo o mundo.

"A colaboração CREX e PREX-II se preocupou em conhecer a polarização bem o suficiente para dedicarmos o tempo do feixe para fazer uma medição de alta qualidade", disse Gaskell. "E aproveitamos ao máximo esse tempo."

Certa incerteza

Durante o CREX, a polarização do feixe de elétrons foi medida continuamente via polarimetria Compton com uma precisão de 0,36%. Isso ultrapassou os 0,5% relatados durante o experimento SLD do SLAC.

Nestes termos, o número menor é melhor porque as percentagens representam a soma de todas as incertezas sistemáticas – aquelas criadas pela configuração de um experimento. Eles podem incluir energia absoluta do feixe, diferenças de posição e conhecimento da polarização do laser. Outras fontes de incerteza são estatísticas, o que significa que podem ser reduzidas à medida que mais dados são recolhidos.

“A incerteza é tão fundamental que é difícil até descrevê-la porque não há nada que saibamos com precisão infinita”, disse Dalton. “Sempre que fazemos uma medição, precisamos colocar uma incerteza nela. Caso contrário, ninguém saberá como interpretá-la.”

Em muitos experimentos envolvendo o CEBAF, a fonte dominante de incerteza sistemática é o conhecimento da polarização do feixe de elétrons. A equipe CREX usou o polarímetro Compton para trazer esse desconhecido ao nível mais baixo já relatado.

"Quanto maior a precisão, mais rigoroso será o teste para interpretação teórica. Você deve ser rigoroso o suficiente para competir com outros métodos de acesso à física do PREX-II e CREX, "disse Robert Michaels, vice-líder do Jefferson Lab para Halls A /C. "Um teste impreciso não teria impacto científico."

Como foi feito

Pense no polarímetro Compton como um poço para os elétrons que saem do CEBAF em forma de pista de corrida.

Os ímãs desviam os elétrons ao longo desse desvio, onde o feixe se sobrepõe a um laser verde entre superfícies refletivas dentro de uma cavidade óptica ressonante. Quando o laser está bloqueado, o feixe de elétrons se dispersa com a luz e cria fótons de alta energia.

Os fótons são captados por um detector, que neste caso é essencialmente um cristal cilíndrico com um tubo fotomultiplicador que passa o sinal luminoso para o sistema de aquisição de dados.

A diferença entre o número de acertos quando os elétrons são invertidos de um estado longitudinal para frente para um estado para trás é proporcional à polarização do feixe. Isso pressupõe que a polarização do laser seja constante.

"Há uma energia máxima quando você trabalha a cinemática básica de duas coisas se chocando perto da velocidade da luz", disse a co-autora Allison Zec, que trabalhou na equipe do professor de física Kent Paschke da Universidade da Virgínia e agora é pesquisadora de pós-doutorado na a Universidade de New Hampshire.

Sua dissertação de doutorado concentrou-se parcialmente no polarímetro Compton nos experimentos PREX-II e CREX, pelos quais ela ganhou o prestigioso Prêmio de Tese Jefferson Science Associates de 2022.

“A maior energia que você pode obter é quando o elétron chega e o fóton vem direto para ele, e o fóton é espalhado em 180 graus”, disse Zec. "Isso é o que chamamos de borda Compton. Tudo é medido até essa borda Compton e abaixo."

Acrescente um conjunto de cálculos e controles experimentais e a precisão relativa de 0,36% foi alcançada.

"Era basicamente o alinhamento das estrelas da maneira que precisávamos", disse Zec, "mas não sem muito trabalho para provar que fomos capazes de chegar lá. Foi preciso um pouco de sorte, um pouco de esforço, muita atenção, reflexão cuidadosa e um pouco de criatividade."

Preparando o cenário

Pela primeira vez, a precisão atingiu um nível necessário para futuros experimentos emblemáticos no Jefferson Lab, como o MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Reaction). MOLLER, que está em fase de projeto e construção, medirá a carga fraca de um elétron como uma espécie de teste do Modelo Padrão da física de partículas. Será necessária polarimetria de feixe de elétrons com precisão relativa de 0,4%.

O Modelo Padrão é uma teoria que tenta descrever partículas subatômicas, como quarks e múons, juntamente com as quatro forças fundamentais:forte, fraca, eletromagnética e gravidade.

“As coisas que você pode calcular com o Modelo Padrão são fenomenais”, disse Dalton.

Mas o Modelo Padrão não está completo.

"Isso não explica o que é a matéria escura. Não explica de onde vem a violação da CP (paridade de conjugação de carga), ou por que há principalmente matéria no universo e não antimatéria", continuou Dalton.

Cada força fundamental carrega uma chamada “carga”, que determina sua força ou a intensidade com que uma partícula sente a força. Os teóricos podem usar o Modelo Padrão para calcular a carga da força fraca no elétron, enquanto MOLLER a mediria fisicamente e procuraria desvios da teoria.

“A frase de efeito é sempre 'física além do Modelo Padrão'”, disse Gaskell. “Estamos à procura de partículas ou interações que possam abrir uma janela para coisas que estão faltando na nossa descrição do universo”.

Outro projeto com fortes requisitos de polarimetria é o Electron-Ion Collider (EIC), um acelerador de partículas que será construído no Brookhaven National Laboratory, em Nova York, com a ajuda do Jefferson Lab.

O EIC colidirá elétrons com prótons ou núcleos atômicos mais pesados ​​para sondar seu funcionamento interno e obter informações sobre as forças que os unem.

“Mal posso esperar para ver o polarímetro Compton ser desenvolvido para coisas como o EIC”, disse Zec. "Esses requisitos serão muito diferentes porque estão em um colisor, por onde as mesmas partículas passam de vez em quando. Isso exigirá medições adicionais e precisas, porque muitos desses experimentos precisam ser reprimidos para diminuir suas fontes. de incerteza."

O resultado também prepara o terreno para outros experimentos de violação de paridade que chegarão ao Jefferson Lab, como o SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).

Esses experimentos propostos são discutidos em "Uma Nova Era de Descobertas:O Plano de Longo Alcance de 2023 para a Ciência Nuclear". Este documento inclui prioridades de investigação recomendadas para a próxima década em física nuclear, conforme proposto pelo Comité Consultivo de Ciência Nuclear. O NSAC é composto por um grupo diversificado de cientistas nucleares especializados que foram encarregados pelo DOE e pela National Science Foundation (NSF) de fornecer recomendações sobre pesquisas futuras na área.

Os físicos nucleares experimentais podem sentir-se muito mais confiantes sobre os seus resultados com esta nova confirmação da polarimetria de precisão que pode ser alcançada com feixes de electrões.

“Ele quebrou uma barreira”, disse Zec. "Isso tornará nossos resultados mais significativos e fará do Jefferson Lab uma instalação mais forte para fazer física no futuro."

Mais informações: A. Zec et al, Polarimetria Compton de ultra-alta precisão em 2 GeV, Revisão Física C (2024). DOI:10.1103/PhysRevC.109.024323
Informações do diário: Revisão Física C

Fornecido por Thomas Jefferson National Accelerator Facility