Бриллианты - одни из самых желанных драгоценных камней. Но в то время как некоторые могут хотеть идеальный бриллиант из-за его блеска, физики жаждут правильных бриллиантов, чтобы усовершенствовать свои эксперименты. Драгоценный камень является ключевым компонентом новой системы, позволяющей выполнять точные измерения, которые могут привести к открытию новой физики в субатомном царстве - области частиц и сил, из которых состоит ядро атома.
Исследования этой области требуют уникальных зондов с правильными характеристиками, таких как электроны, которые подготовлены для экспериментов в Ускорителе непрерывного электронного пучка в лаборатории Джефферсона.
CEBAF - ускоритель атомов. Он может взять обычные электроны и упаковать их с нужной энергией, сгруппировать их вместе в нужном количестве и заставить эти группы вращаться в правильном направлении, чтобы исследовать ядро атома и получить информацию, которая нужна физикам.
Но чтобы гарантировать, что электроны с правильными характеристиками были подобраны для работы, физики-ядерщики должны иметь возможность измерять электроны до того, как они будут отправлены в ядра. Вот тут и приходит на помощь устройство, называемое поляриметром Холла С. Комптона. Оно измеряет спины групп электронов, которые CEBAF собирается использовать для экспериментов.
«Речь идет об измерении свойства поляризации луча: какая часть спинов электронов в луче выровнена», - говорит Марк Далтон, научный сотрудник лаборатории Джефферсона и член группы, которая проектировала, строила и эксплуатировала поляриметр.
Поляризация луча является ключевой величиной во многих экспериментах. Обычно экспериментатор намеренно переключает спин электронов в пучке между двумя ориентациями: когда электроны вращаются в направлении, в котором они движутся, и когда электроны вращаются в противоположном направлении. Это позволяет физикам сравнивать результаты, полученные в этих двух условиях, но только до тех пор, пока они знают поляризацию в обоих условиях с высокой точностью.
Поляриметр Hall C Compton обеспечивает такую точность. Он работает, сначала направляя лазерный луч на ускоряющиеся электроны.
«Итак, когда вы направляете этот лазер на электроны, они немного сбиваются», - объясняет Далтон. «Мы смотрим на разницу в скорости рассеяния света на электронах, когда они вращаются в направлении движения и в противоположном направлении».
Чтобы увидеть эту разницу, физики направляют лазерный луч через прозрачное вакуумное окно на пучок электронов.
"Чтобы направить лазерный луч в лучевую трубу, вы должны пройти через вакуумное окно, а нагрузка на вакуумное окно вызывает искажение окна, что искажает ваш лазерный луч", - объяснил Далтон.
Эти искажения в лазерном луче в прошлом приводили к доминирующим неопределенностям в поляризации извлеченного луча. Физикам нужно было найти способ обойти это искажение. Они обнаружили, что ответ был таким же простым, как посмотреть в зеркало.
В основном, когда вы освещаете свет, некоторая небольшая часть отражается и возвращается к лазеру. Если вы отделите часть, которая возвращается, и проанализируете ее свойства, вы можете узнать, каковы свойства, когда лазерный луч поражает электроны», - сказал Дальтон.
Решив эту проблему, физикам-ядерщикам нужно было иметь возможность подсчитывать электроны, которые выбиваются из луча лазерным светом. Сравнив, сколько электронов выбивается, когда электроны вращаются в направлении движения, и сравнив его с количеством электронов, выбитых из луча, когда они вращаются против направления движения, физики могут получить окончательное измерение поляризации..
Для этого им нужен был прочный материал, способный противостоять постоянной бомбардировке частицами. По словам Дипангкара Датты, профессора физики Университета штата Миссисипи и члена команды поляриметра Hall C Compton, в других экспериментах для этого компонента, называемого детектором, использовался кремний. Но кремний не выдерживает постоянной бомбардировки частицами, которую производят некоторые эксперименты.
Чтобы захватить большую часть выбитых электронов, ваш детектор должен быть очень, очень близко к основному лучу, поэтому он подвергается воздействию большого количества излучения. И устойчивость к лучевому излучению является очень важным свойством., - сказал Датта.
Именно тогда они определили, что алмаз также может быть лучшим другом физика.
В новой системе вместо кремния используются тонкие осколки алмаза. Специально выращенные в лаборатории пластины из алмаза, размером примерно в три четверти квадратного дюйма и толщиной всего две сотые дюйма, были оборудованы как компьютерные чипы с приклеенными к ним электродами.
«Если вы строите компьютерный чип на алмазе, а не на кремниевой пластине, на него может воздействовать во много раз большее излучение, чем на кремний», - объяснил Датта. «Это новый детектор. Никто раньше не использовал такой детектор в физических экспериментах, поэтому он был очень инновационным».
Этот новый детектор был испытан в первой серии экспериментов в 2010-2012 гг. По словам Дэвида Гаскелла, научного сотрудника Лаборатории Джефферсона и руководителя группы поляриметров Hall C Compton, устройство обеспечило самое прямое и точное измерение поляризации электронного луча при высоком токе электронного луча CEBAF на сегодняшний день с погрешностью всего 0,6 процента.
«Эта точность была достигнута при более высоких энергиях луча, но это намного, намного сложнее при более низких энергиях, таких как энергии, которые мы используем в лаборатории Джефферсона», - сказал Гаскелл. «Я знал, что поляриметр удовлетворит потребности эксперимента, но если бы пять лет назад меня спросили, сможем ли мы достичь такого уровня точности, я бы смеялся всю дорогу по коридору. Но как только мы получили окончательный ответ о том, чего достигло это устройство, я был поражен тем, насколько хорошо оно получилось».
Команда опубликовала анализ работы поляриметра в выпуске Physical Review X за январь-март 2016 года. Это первая статья, опубликованная по исследованиям лаборатории Джефферсона в этом крайне избирательном онлайн-журнале с полностью открытым доступом, который был запущен в мае 2011 года.
Цель прецизионных измерений, которые помогает сделать возможным это новое устройство, состоит в том, чтобы открыть новую физику в субатомном царстве - области частиц и сил, которые составляют ядро атома, таких как протоны и нейтроны, и их кварки и глюоны.
Поляриметр первоначально использовался для эксперимента с Q-слабостью в зале C Лаборатории Джефферсона. Этот эксперимент был направлен на измерение слабого взаимодействия, силы, которая действует на субатомные частицы и является одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с электромагнетизмом., гравитация и сильное взаимодействие. Субатомные частицы несут слабый заряд, меру влияния, которое может оказать на них слабое взаимодействие.
Q-weak измерил слабый заряд протона, величину, которая очень точно предсказывается Стандартной моделью физики элементарных частиц, но никогда ранее не измерялась. Физики обнародовали предварительные результаты эксперимента и сейчас работают над окончательным результатом.
Но команда сказала, что поляриметр Холла С Комптона работает так хорошо, что это может быть одна из многих технологий, которые делают возможным совершенно новое поколение экспериментов по изучению новых частиц и сил, которые выходят за рамки описания Стандартной модели. субатомного царства.
Если мы не сможем сделать эту работу, доступ к физике за пределами Стандартной модели будет намного сложнее, намного более неопределенным. Так что это ключевое техническое развитие, которое позволит Лаборатории Джефферсона действительно получить доступ к этой новой области физики», - сказал Гаскелл.
Это хорошие новости для трех аспирантов, которые также внесли значительный вклад в разработку поляриметра Hall C Compton во время работы над докторской диссертацией. в ядерной физике. Амрендра Нараян из Университета штата Миссисипи работала над детекторами и анализом алмазов; Дон Джонс из Университета Вирджинии работал над лазерной системой; и Хуан Карлос Корнехо, Колледж Уильяма и Марии, работал над фотонным детектором.
Команда, однако, не останавливается на достигнутом. Сейчас физики сосредоточены на еще большем повышении точности поляриметра, чтобы его бриллианты были готовы сверкать для следующего точного эксперимента.