Les scientifiques obtiennent un aperçu plus détaillé que jamais des électrons qu'ils utilisent dans des expériences de précision.
Les physiciens nucléaires du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l'énergie ont battu un record vieux de près de 30 ans pour la mesure du spin parallèle dans un faisceau d'électrons - ou polarimétrie du faisceau d'électrons, en abrégé. Cette réalisation ouvre la voie à des expériences de haut niveau au Jefferson Lab qui pourraient ouvrir la porte à de nouvelles découvertes en physique.
Dans un article publié dans Physical Review C , une collaboration de chercheurs du Jefferson Lab et d'utilisateurs scientifiques a rapporté une mesure plus précise qu'une référence obtenue lors de l'exécution en 1994-95 de l'expérience SLAC Large Detector (SLD) au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, en Californie.
"Personne n'a mesuré la polarisation d'un faisceau d'électrons avec cette précision dans aucun laboratoire, où que ce soit dans le monde", a déclaré Dave Gaskell, physicien nucléaire expérimental au Jefferson Lab et co-auteur de l'article. "C'est le titre ici. Ce n'est pas seulement une référence pour la polarimétrie Compton mais pour toute technique de mesure de polarisation électronique."
La polarimétrie Compton consiste à détecter des photons (particules de lumière) diffusés par des particules chargées, telles que des électrons. Cette diffusion, également connue sous le nom d'effet Compton, peut être obtenue en envoyant une lumière laser et un faisceau d'électrons sur une trajectoire de collision.
Les électrons et les photons possèdent une propriété appelée spin (que les physiciens mesurent comme moment cinétique). Comme la masse ou la charge électrique, le spin est une propriété intrinsèque de l’électron. Lorsque des particules tournent dans la même direction à un instant donné, cette quantité est appelée polarisation. La connaissance de cette polarisation est cruciale pour les physiciens qui sondent le cœur de la matière aux plus petites échelles.
"Considérez le faisceau d'électrons comme un outil que vous utilisez pour mesurer quelque chose, comme une règle", a déclaré Mark Macrae Dalton, un autre physicien du Jefferson Lab et co-auteur de l'article. "Est-ce en pouces ou en millimètres ? Vous devez comprendre la règle pour comprendre n'importe quelle mesure. Sinon, vous ne pouvez rien mesurer."
L'ultra-haute précision a été obtenue lors de l'expérience sur le rayon de calcium (CREX), menée en tandem avec l'expérience sur le rayon de plomb (PREX-II) pour sonder les noyaux d'atomes de poids moyen et lourd afin de mieux comprendre la structure de leur « peau neutronique ». ."
La « peau de neutrons » fait référence à la répartition des protons et des neutrons dans les noyaux des atomes plus denses. Les éléments plus légers, généralement ceux dont le numéro atomique est égal ou inférieur à 20 dans le tableau périodique, possèdent souvent un nombre égal de protons et de neutrons. Les atomes de poids moyen et lourd ont généralement besoin de plus de neutrons que de protons pour rester stables.
PREX-II et CREX se sont concentrés respectivement sur le plomb 208, qui possède 82 protons et 126 neutrons, et sur le calcium 48, qui possède 20 protons et 28 neutrons. Dans ces atomes, un nombre relativement égal de protons et de neutrons se regroupent autour du noyau tandis que les neutrons supplémentaires sont poussés vers la frange, formant une sorte de « peau ».
Les expériences ont déterminé que le plomb 208 possède une peau neutronique quelque peu épaisse, ce qui a des implications sur les propriétés des étoiles à neutrons. La peau du calcium 48, en revanche, est relativement fine et confirme certains calculs théoriques. Ces mesures ont été effectuées avec une précision de centaines de millionièmes de nanomètre.
PREX-II et CREX se sont déroulés de 2019 à 2020 dans le hall A de l'installation d'accélérateur de faisceaux d'électrons continus du Jefferson Lab, une installation unique utilisée par le Bureau des sciences du DOE qui soutient la recherche de plus de 1 800 scientifiques dans le monde.
"La collaboration CREX et PREX-II souhaitait connaître suffisamment bien la polarisation pour consacrer le temps de faisceau à effectuer une mesure de haute qualité", a déclaré Gaskell. "Et nous avons pleinement utilisé ce temps."
Au cours du CREX, la polarisation du faisceau électronique a été mesurée en continu via la polarimétrie Compton avec une précision de 0,36 %. Cela a dépassé les 0,5 % rapportés lors de l'expérience SLD du SLAC.
En ces termes, un nombre plus petit est préférable car les pourcentages représentent la somme de toutes les incertitudes systématiques, celles créées par la configuration d'une expérience. Ils peuvent inclure l’énergie absolue du faisceau, les différences de position et la connaissance de la polarisation du laser. D'autres sources d'incertitude sont d'ordre statistique, ce qui signifie qu'elles peuvent être réduites à mesure que davantage de données sont collectées.
"L'incertitude est si fondamentale qu'elle est même difficile à décrire car nous ne savons rien avec une précision infinie", a déclaré Dalton. "Chaque fois que nous effectuons une mesure, nous devons y ajouter une incertitude. Sinon, personne ne saura comment l'interpréter."
Dans de nombreuses expériences impliquant le CEBAF, la source dominante d'incertitude systématique est la connaissance de la polarisation du faisceau électronique. L'équipe CREX a utilisé le polarimètre Compton pour ramener cette inconnue au niveau le plus bas jamais signalé.
"Plus la précision est élevée, plus le test d'interprétation théorique est strict. Vous devez être suffisamment strict pour rivaliser avec d'autres méthodes d'accès à la physique de PREX-II et CREX", a déclaré Robert Michaels, directeur adjoint du Jefferson Lab pour les Halls A. /C. "Un test imprécis n'aurait aucun impact scientifique."
Considérez le polarimètre Compton comme une fosse pour les électrons sortant du CEBAF en forme de piste de course.
Les aimants détournent les électrons le long de ce détour, où le faisceau chevauche un laser vert entre des surfaces réfléchissantes à l'intérieur d'une cavité optique résonante. Lorsque le laser est verrouillé, le faisceau d'électrons se disperse avec la lumière et crée des photons à haute énergie.
Les photons sont capturés par un détecteur, qui dans ce cas est essentiellement un cristal cylindrique avec un tube photomultiplicateur qui transmet le signal lumineux au système d'acquisition de données.
La différence entre le nombre de coups lorsque les électrons passent d'un état longitudinal vers l'avant à un état vers l'arrière est proportionnelle à la polarisation du faisceau. Cela suppose que la polarisation du laser est constante.
"Il y a une énergie maximale lorsque vous travaillez sur la cinématique de base de deux objets qui se heurtent à une vitesse proche de la lumière", a déclaré la co-auteure Allison Zec, qui a travaillé dans l'équipe du professeur de physique Kent Paschke de l'Université de Virginie et est maintenant chercheuse postdoctorale à l'Université de Virginie. l'Université du New Hampshire.
Sa thèse de doctorat portait en partie sur le polarimètre Compton dans les expériences PREX-II et CREX, pour laquelle elle a remporté le prestigieux prix de thèse Jefferson Science Associates 2022.
"Le maximum d'énergie que vous pouvez obtenir est lorsque l'électron entre et que le photon arrive directement sur lui, et que le photon est diffusé à 180 degrés", a déclaré Zec. "C'est ce que nous appelons le bord Compton. Tout est mesuré par rapport à ce bord Compton et plus bas."
Ajoutez à cela une suite de calculs et de contrôles expérimentaux, et la précision relative de 0,36 % a été atteinte.
"En gros, c'était l'alignement des étoiles dont nous avions besoin", a déclaré Zec, "mais non sans avoir travaillé dur pour prouver que nous étions capables d'y arriver. Il a fallu un peu de chance, un peu d'huile de coude, beaucoup d'attention, de réflexion et un peu de créativité."
Pour la première fois, la précision a atteint un niveau requis pour les futures expériences phares du Jefferson Lab, telles que MOLLER (Measurement of a Lepton-Lepton Electroweak Reaction). MOLLER, qui est en phase de conception et de construction, mesurera la faible charge d'un électron comme une sorte de test du modèle standard de la physique des particules. Cela nécessitera une polarimétrie par faisceau d'électrons avec une précision relative de 0,4 %.
Le modèle standard est une théorie qui tente de décrire les particules subatomiques, telles que les quarks et les muons, ainsi que les quatre forces fondamentales :forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.
"Les choses que vous pouvez calculer avec le modèle standard sont phénoménales", a déclaré Dalton.
Mais le modèle standard n'est pas complet.
"Cela n'explique pas ce qu'est la matière noire. Cela n'explique pas d'où vient la violation de CP (parité de conjugaison de charges), ni pourquoi il y a principalement de la matière dans l'univers et non de l'antimatière", a poursuivi Dalton.
Chaque force fondamentale porte une « charge », qui dicte sa force ou la force avec laquelle une particule ressent la force. Les théoriciens peuvent utiliser le modèle standard pour calculer la charge de la force faible sur l'électron, tandis que MOLLER la mesurerait physiquement et rechercherait les écarts par rapport à la théorie.
"Le slogan est toujours" la physique au-delà du modèle standard "", a déclaré Gaskell. "Nous recherchons des particules ou des interactions susceptibles d'ouvrir une fenêtre sur des choses qui manquent dans notre description de l'univers."
Un autre projet avec de fortes exigences en polarimétrie est le collisionneur d'ions-électrons (EIC), un accélérateur de particules qui sera construit au Brookhaven National Laboratory à New York avec l'aide du Jefferson Lab.
L'EIC fera entrer en collision des électrons avec des protons ou des noyaux atomiques plus lourds pour sonder leur fonctionnement interne et mieux comprendre les forces qui les lient.
"J'ai hâte de voir le polarimètre Compton développé pour des choses comme l'EIC", a déclaré Zec. "Ces exigences vont être très différentes car il s'agit d'un collisionneur, où les mêmes particules traversent de temps en temps. Cela va nécessiter des mesures plus précises, car beaucoup de ces expériences doivent être tassées pour réduire leurs sources. d'incertitude."
Le résultat ouvre également la voie à d'autres expériences de violation de parité à venir au Jefferson Lab, telles que SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).
Ces expériences proposées sont discutées dans « Une nouvelle ère de découverte :le plan à long terme 2023 pour la science nucléaire ». Ce document comprend les priorités de recherche recommandées pour la prochaine décennie en physique nucléaire, telles que proposées par le Comité consultatif de la science nucléaire. Le NSAC est composé d'un groupe diversifié de scientifiques experts en nucléaire qui ont été chargés par le DOE et la National Science Foundation (NSF) de formuler des recommandations sur les recherches futures dans ce domaine.
Les physiciens nucléaires expérimentaux peuvent avoir beaucoup plus confiance dans leurs résultats grâce à cette nouvelle confirmation de la polarimétrie de précision qui peut être obtenue avec des faisceaux d'électrons.
"Il a franchi une barrière", a déclaré Zec. "Cela rendra nos résultats plus significatifs et fera du Jefferson Lab une installation plus solide pour faire de la physique à l'avenir."
Plus d'informations : A. Zec et al, Polarimétrie Compton ultra-haute précision à 2 GeV, Physical Review C (2024). DOI :10.1103/PhysRevC.109.024323
Informations sur le journal : Révision physique C
Fourni par Thomas Jefferson National Accelerator Facility
