Les physiciens nucléaires ont réussi à mesurer la faible charge du proton en tirant des électrons sur une cible d'hydrogène liquide froid dans une expérience menée à l'installation d'accélérateur national Thomas Jefferson du ministère de l'Énergie. Surnommé Q-faible, l'expérience de précision comportait de nombreux défis techniques que les physiciens devaient résoudre pour qu'elle aboutisse.

Une variable potentiellement confusionnelle était la cible d'hydrogène liquide froid elle-même. Le système cible a été conçu sur mesure pour Q-weak, en prenant soin de construire un système qui pourrait garder l'hydrogène froid même lorsqu'il était bombardé par un faisceau d'électrons en rotation impitoyable mais précis.

Les physiciens ont même dû réfléchir à l'impact que le récipient en aluminium contenant l'hydrogène aurait sur leur résultat. Pour sa part dans la résolution de ce défi technique et pour la thèse qu'il a rédigée sur ces efforts, Kurtis Bartlett a reçu le prix de thèse Jefferson Science Associates 2018.

La charge faible du proton décrit combien la force faible, l'une des quatre forces fondamentales de l'univers, agit sur le proton.

« Sonder le proton avec un électron via la force faible, il permet de mesurer effectivement la charge faible, " dit Bartlett.

Mais, comme son nom l'indique, la force faible est, bien, faible. Les électrons sont beaucoup plus susceptibles d'interagir avec les protons via la force électromagnétique, une autre force fondamentale.

Heureusement, la force faible a un marqueur unique :elle viole une symétrie universelle appelée parité. Un processus qui conserve la symétrie de parité se produit avec la même probabilité que son image miroir. La force faible présente une asymétrie pour les transformations de parité.

« La mesure de cette asymétrie donne accès à la force faible, " dit Bartlett. " Cependant, c'est très difficile à faire en laboratoire, c'est une opération de type mathématique."

Au lieu, Q-weak a utilisé un remplaçant pour la transformation de parité. Avant que les électrons ne soient accélérés, ils étaient polarisés de sorte qu'ils tournaient tous dans le même sens que le faisceau, ou la direction opposée au faisceau.

Parce que la force électromagnétique conserve la symétrie de parité, il interagit de la même manière avec les électrons tournant dans les deux sens. Mais parce que la force faible viole la symétrie de parité, il interagit davantage avec les électrons tournant dans une direction. Les physiciens sont capables d'exploiter cette différence pour obtenir une mesure de la charge faible du proton.

Atteindre cette mesure, cependant, n'était pas si simple. Dans l'expérience, une petite fraction des électrons que les physiciens mesurent n'a jamais atteint la cible d'hydrogène. Au lieu, quelques électrons se sont dispersés hors du conteneur en aluminium qui contenait l'hydrogène, qui a contaminé le signal de force faible que les physiciens essayaient de mesurer.

C'est là qu'intervient Bartlett. Sa tâche consistait à minimiser cette contamination du signal en déterminant quelle quantité du signal mesuré provenait du conteneur cible en aluminium.

"Je suis passé par le processus de comprendre comment corriger nos valeurs mesurées, " dit Bartlett.

Faire cela, Q-weak a supprimé la cible d'hydrogène pour certains essais, en le remplaçant par un morceau d'aluminium identique au conteneur. Puis Q-weak a de nouveau tiré des électrons polarisés sur la cible, sauf au lieu de mesurer l'asymétrie de parité à l'aide d'un proton d'hydrogène, Bartlett a mesuré l'asymétrie de parité à l'aide d'un noyau d'aluminium.

"C'est la première fois que ce type d'asymétrie est mesuré, ce qui est assez excitant, " il a dit.

Bartlett a travaillé sur sa thèse, "Premières mesures des asymétries à un seul spin violant la parité et normale du faisceau dans la diffusion élastique électron-aluminium, " au Jefferson Lab tout en poursuivant son doctorat en physique nucléaire expérimentale à William &Mary. Son directeur de thèse était Wouter Deconinck, un professeur adjoint de physique à William &Mary qui a également travaillé sur l'expérience Q-weak.

Bartlett a présenté son travail de thèse au conseil d'administration de la Jefferson Lab Users Organization, qui supervisent le processus d'attribution du prix de thèse JSA. Les utilisateurs sont des scientifiques des États-Unis et du monde entier qui mènent des expériences de physique nucléaire fondamentale avec les installations et les capacités de recherche du Jefferson Lab.

"J'étais excité d'apprendre que j'avais gagné, et je suis très honoré de le recevoir, " a déclaré Bartlett. " Bien que j'aie reçu ce prix pour ma thèse, c'est vraiment un effort de groupe, et je tiens à souligner que Q-weak dans son ensemble a impliqué de nombreux scientifiques, ingénieurs, techniciens et administratifs pour tout faire. »

Le prix de thèse JSA est décerné chaque année au meilleur doctorat. thèse d'étudiant sur la recherche liée à la science du Jefferson Lab, et il comprend un 2 $, 500 prix en argent et une plaque commémorative. Les candidatures sont jugées sur quatre critères :la qualité du travail écrit, la contribution de l'étudiant à la recherche, l'impact des travaux sur le domaine de la physique, et service (comment le travail profite au Jefferson Lab ou à d'autres expériences).

La Southeastern Universities Research Association a créé le JSA Thesis Prize en 1999. C'est maintenant l'un des nombreux projets soutenus par le JSA Initiatives Fund Program, qui a été créé par Jefferson Science Associates pour soutenir les programmes, initiatives et activités qui favorisent le rayonnement scientifique, et promouvoir la science, missions d'éducation et de technologie de Jefferson Lab de manière à compléter son objectif de recherche fondamentale et appliquée.

"Les étudiants diplômés sont la force motrice de toute entreprise de recherche, la Jefferson Lab User Organization est donc fière de remettre le prix de la thèse cette année encore. Nous remercions JSA d'avoir soutenu ce prix, " dit Julie Roche, la chaire JLUO 2018-2019 et professeur à l'Université de l'Ohio. "Comme d'habitude, les thèses soumises étaient de très haute qualité et rendaient le choix d'un lauréat tout un défi. Je tiens à remercier le comité de sélection dirigé par le professeur Kent Paschke de l'Université de Virginie pour son examen minutieux des candidatures. À la fin, nous sommes ravis de reconnaître le travail de Kurtis."

Bartlett est actuellement associé de recherche postdoctorale pour le Space Science and Application Group au Laboratoire national de Los Alamos du DOE, où il développe des détecteurs d'engins spatiaux qui mesurent le rayonnement pour aider à déterminer la composition des corps planétaires.

"Bien que je développe du matériel maintenant, J'utilise toujours les compétences développées dans ma recherche de thèse, " dit Bartlett.