Membuka Batasan Baru dalam Fisika Dengan Pengukuran Putaran Elektron yang Mencetak Rekor

Pengukuran polarisasi berkas elektron adalah yang paling tajam yang pernah dilaporkan, menyiapkan panggung untuk eksperimen andalan di masa depan di Jefferson Lab.

Para ilmuwan mendapatkan pandangan yang lebih rinci dari sebelumnya mengenai elektron yang mereka gunakan dalam eksperimen presisi.

Fisikawan nuklir dari Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson milik Departemen Energi AS telah memecahkan rekor berusia hampir 30 tahun untuk pengukuran putaran paralel dalam berkas elektron – atau disingkat polarimetri berkas elektron. Pencapaian ini membuka jalan bagi eksperimen tingkat tinggi di Jefferson Lab yang dapat membuka pintu bagi penemuan fisika baru.

Dalam makalah peer-review yang diterbitkan pada 23 Februari di jurnal Survei FisikCsebuah kolaborasi antara peneliti Jefferson Lab dan pengguna ilmiah melaporkan pengukuran yang lebih tepat daripada tolok ukur yang dicapai selama percobaan SLAC Large Detector (SLD) tahun 1994-95 di SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, California.

“Belum ada yang mengukur polarisasi berkas elektron dengan presisi seperti ini di laboratorium mana pun, di mana pun di dunia,” kata Dave Gaskell, fisikawan nuklir eksperimental di Jefferson Lab dan salah satu penulis makalah tersebut. “Itulah berita utama di sini. Ini bukan hanya tolok ukur polarimetri Compton, namun juga teknik pengukuran polarisasi elektron apa pun.”

Polarimetri Compton melibatkan pendeteksian foton – partikel cahaya – yang dihamburkan oleh partikel bermuatan, seperti elektron. Hamburan tersebut, alias efek Compton, dapat dicapai dengan mengirimkan sinar laser dan berkas elektron pada jalur tumbukan.

Elektron – dan foton – membawa sifat yang disebut putaran (yang diukur oleh fisikawan sebagai momentum sudut). Seperti massa atau muatan listrik, putaran adalah sifat intrinsik elektron. Ketika partikel berputar ke arah yang sama pada waktu tertentu, besarannya disebut polarisasi. Dan bagi fisikawan yang menyelidiki inti materi pada skala terkecil, pengetahuan tentang polarisasi tersebut sangatlah penting.

“Bayangkan berkas elektron sebagai alat yang Anda gunakan untuk mengukur sesuatu, seperti penggaris,” kata Mark Macrae Dalton, fisikawan Jefferson Lab lainnya dan rekan penulis makalah tersebut. “Apakah dalam inci atau dalam milimeter? Anda harus memahami penggaris untuk memahami pengukuran apa pun. Jika tidak, Anda tidak dapat mengukur apa pun.”

Tunjangan

Presisi ultra-tinggi dicapai selama Eksperimen Radius Kalsium (CREX), yang dilakukan bersamaan dengan Eksperimen Radius Timbal (PREX-II) untuk menyelidiki inti atom berbobot sedang dan berat untuk mengetahui struktur “kulit neutron” mereka. .”

“Kulit neutron” mengacu pada distribusi proton dan neutron di dalam inti atom yang lebih padat. Unsur yang lebih ringan – umumnya yang memiliki nomor atom 20 atau lebih rendah pada tabel periodik – seringkali memiliki jumlah proton dan neutron yang sama. Atom berbobot sedang dan berat biasanya membutuhkan lebih banyak neutron daripada proton agar tetap stabil.

PREX-II dan CREX masing-masing berfokus pada timbal-208, yang memiliki 82 proton dan 126 neutron, dan kalsium-48, yang memiliki 20 proton dan 28 neutron. Dalam atom-atom ini, jumlah proton dan neutron yang relatif sama berkumpul di sekitar inti inti, sementara neutron tambahan terdorong ke pinggiran – membentuk semacam “kulit”.

Percobaan menentukan bahwa timbal-208 memiliki kulit neutron yang agak tebal, sehingga berdampak pada sifat bintang neutron. Sebaliknya, kulit Kalsium-48 relatif tipis dan menegaskan beberapa perhitungan teoretis. Pengukuran ini dilakukan dengan ketelitian ratusan juta nanometer.

PREX-II dan CREX dijalankan dari tahun 2019 hingga 2020 di Hall A Fasilitas Akselerator Berkas Elektron Berkelanjutan di Jefferson Lab, fasilitas pengguna DOE Office of Science unik yang mendukung penelitian lebih dari 1.800 ilmuwan di seluruh dunia.

“Kolaborasi CREX dan PREX-II sangat peduli dalam mengetahui polarisasi dengan cukup baik sehingga kami mendedikasikan waktu pancaran sinar untuk melakukan pengukuran berkualitas tinggi,” kata Gaskell. “Dan kami memanfaatkan waktu itu sepenuhnya.”

Ketidakpastian tertentu

Selama CREX, polarisasi berkas elektron terus diukur melalui polarimetri Compton hingga presisi 0,36%. Angka tersebut melampaui 0,5% yang dilaporkan selama eksperimen SLD SLAC.

Dalam hal ini, angka yang lebih kecil lebih baik karena persentasenya mewakili jumlah seluruh ketidakpastian sistematis – yang diciptakan oleh eksperimen. Hal ini dapat mencakup energi pancaran absolut, perbedaan posisi, dan pengetahuan tentang polarisasi laser. Sumber ketidakpastian lainnya bersifat statistik, yang berarti ketidakpastian tersebut dapat dikurangi seiring dengan semakin banyaknya data yang dikumpulkan.

“Ketidakpastian sangat mendasar, bahkan sulit untuk dijelaskan karena tidak ada yang kita ketahui dengan ketepatan yang tak terbatas,” kata Dalton. “Setiap kali kita melakukan pengukuran, kita perlu memberikan ketidakpastian. Kalau tidak, tidak ada yang tahu bagaimana menafsirkannya.”

Dalam banyak eksperimen yang melibatkan CEBAF, sumber ketidakpastian sistematik yang dominan adalah pengetahuan tentang polarisasi berkas elektron. Tim CREX menggunakan polarimeter Compton untuk membawa hal yang tidak diketahui itu ke tingkat terendah yang pernah dilaporkan.

“Semakin tinggi presisinya, semakin ketat pengujian yang dilakukan untuk interpretasi teoritis. Anda harus cukup ketat untuk bersaing dengan metode lain dalam mengakses fisika PREX-II dan CREX,” kata Robert Michaels, wakil pemimpin Jefferson Lab untuk Halls A/C. “Tes yang tidak tepat tidak akan mempunyai dampak ilmiah.”

Bagaimana hal itu dilakukan

Bayangkan polarimeter Compton sebagai jalan masuk bagi elektron yang keluar dari CEBAF berbentuk arena pacuan kuda.

Magnet mengalihkan elektron sepanjang jalan memutar ini, di mana sinar tersebut tumpang tindih dengan laser hijau di antara permukaan pantulan di dalam rongga optik resonansi. Ketika laser terkunci, berkas elektron berhamburan bersama cahaya dan menciptakan foton berenergi tinggi.

Foton ditangkap oleh detektor, yang dalam hal ini pada dasarnya adalah kristal silinder dengan tabung pengganda foto yang meneruskan sinyal cahaya ke sistem akuisisi data.

Perbedaan antara jumlah tumbukan ketika elektron berpindah dari keadaan memanjang ke depan ke keadaan mundur sebanding dengan polarisasi berkas. Hal ini mengasumsikan polarisasi laser adalah konstan.

“Ada energi maksimum ketika Anda mengerjakan kinematika dasar dari dua benda yang saling bertabrakan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya,” kata rekan penulis Allison Zec, yang bekerja di tim Profesor Kent Paschke Fisika Universitas Virginia dan sekarang menjadi peneliti pascadoktoral di Universitas New Hampshire. Disertasi doktoralnya sebagian berfokus pada polarimeter Compton dalam eksperimen PREX-II dan CREX, di mana ia memenangkan Penghargaan Tesis Jefferson Science Associates 2022 yang bergengsi.

“Energi terbanyak yang bisa Anda peroleh adalah ketika elektron masuk dan foto datang lurus ke arahnya, dan fotonnya tersebar 180 derajat,” kata Zec. “Itulah yang kami sebut sebagai tepian Compton. Semuanya diukur sampai ke tepi Compton dan lebih rendah lagi.”

Masukkan serangkaian perhitungan dan kontrol eksperimental, dan presisi relatif 0,36% tercapai.

“Pada dasarnya hal ini adalah keselarasan bintang-bintang dengan cara yang kami perlukan,” kata Zec, “tetapi bukan tanpa kerja keras untuk membuktikan bahwa kami mampu mencapainya. Dibutuhkan sedikit keberuntungan, sedikit kerja keras, banyak perhatian, pemikiran yang cermat, dan sedikit kreativitas.”

Menata panggung

Untuk pertama kalinya, presisi mencapai tingkat yang diperlukan untuk eksperimen unggulan masa depan di Jefferson Lab, seperti MOLLER (Pengukuran Reaksi Lepton-Lepton Electroweak). MOLLER, yang sedang dalam tahap desain dan konstruksi, akan mengukur muatan lemah pada elektron sebagai semacam uji Model Standar fisika partikel. Ini akan membutuhkan polarimetri berkas elektron dengan presisi relatif 0,4%.

Model Standar adalah teori yang mencoba mendeskripsikan partikel subatom, seperti quark dan muon, bersama dengan empat gaya fundamental: kuat, lemah, elektromagnetik, dan gravitasi.

“Hal-hal yang dapat Anda hitung dengan Model Standar sungguh fenomenal,” kata Dalton.

Namun Model Standar belum lengkap.

“Itu tidak menjelaskan apa itu materi gelap. Hal ini tidak menjelaskan dari mana pelanggaran CP (paritas konjugasi muatan) berasal, atau mengapa sebagian besar materi ada di alam semesta dan bukan antimateri,” lanjut Dalton.

Setiap gaya fundamental membawa apa yang disebut “muatan”, yang menentukan kekuatannya atau seberapa kuat suatu partikel merasakan gaya tersebut. Para ahli teori dapat menggunakan Model Standar untuk menghitung muatan gaya lemah pada elektron, sementara MOLLER akan mengukurnya secara fisik dan mencari penyimpangan dari teori.

“Frasenya selalu ‘fisika di luar Model Standar’,” kata Gaskell. “Kami mencari partikel atau interaksi yang mungkin membuka jendela terhadap hal-hal yang hilang dalam deskripsi kami tentang alam semesta.”

Proyek lain dengan persyaratan polarimetri yang kuat adalah Electron-Ion Collider (EIC), sebuah akselerator partikel yang akan dibangun di Brookhaven National Laboratory di New York dengan bantuan Jefferson Lab.

EIC akan membenturkan elektron dengan proton atau inti atom yang lebih berat untuk menyelidiki cara kerja elektron dan mendapatkan wawasan tentang gaya yang mengikatnya.

“Saya tidak sabar untuk melihat polarimeter Compton dikembangkan untuk hal-hal seperti EIC,” kata Zec. “Persyaratan tersebut akan sangat berbeda karena ini terjadi pada penumbuk, dimana partikel yang sama sering melewatinya. Hal ini memerlukan pengukuran lebih lanjut dan tepat karena banyak dari eksperimen ini yang memerlukan pengukuran untuk menurunkan sumber ketidakpastiannya.”

Hasilnya juga membuka peluang bagi eksperimen pelanggaran paritas lainnya yang dilakukan di Jefferson Lab, seperti SoLID (Solenoidal Large Intensity Device).

Eksperimen yang diusulkan ini dibahas dalam “Era Penemuan Baru: Rencana Jangka Panjang Ilmu Nuklir 2023.” Dokumen ini mencakup rekomendasi prioritas penelitian untuk dekade berikutnya dalam fisika nuklir, seperti yang diusulkan oleh Komite Penasihat Ilmu Nuklir. NSAC terdiri dari beragam kelompok ilmuwan ahli nuklir yang ditugaskan oleh DOE dan National Science Foundation (NSF) untuk memberikan rekomendasi mengenai penelitian masa depan di bidang ini.

Dengan konfirmasi baru mengenai polarimetri presisi yang dapat dicapai dengan berkas elektron, fisikawan nuklir eksperimental dapat merasa lebih yakin dengan hasil mereka.

“Itu menembus penghalang,” kata Zec. “Ini akan membuat hasil kami lebih signifikan, dan ini akan membuat Jefferson Lab menjadi fasilitas yang lebih kuat untuk mengerjakan fisika di masa depan.”

Referensi: “Polarimetri Compton presisi sangat tinggi pada 2 GeV” oleh A. Zec, S. Premathilake, JC Cornejo, MM Dalton, C. Gal, D. Gaskell, M. Gericke, I. Halilovic, H. Liu, J. Mammei , R. Michaels, C. Palatchi, J. Pan, KD Paschke, B. Quinn dan J. Zhang, 23 Februari 2024, Survei FisikC.
DOI: 10.1103/PhysRevC.109.024323