Как лазеры помогли измерить спин электрона с невиданной точностью

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Спин — это одно из самых загадочных и важных свойств элементарных частиц, таких как электроны и фотоны. Он определяет, как частицы взаимодействуют с фундаментальными силами природы, и может быть использован для тестирования теорий, описывающих микромир. Но как измерить спин электрона с высокой точностью, не нарушая его состояние?

Автор: Designer

Один из способов — это использовать комптоновскую поляриметрию, метод, основанный на рассеянии света электронами. Этот метод был применен в недавних экспериментах в лаборатории Джефферсона, где ученые достигли рекордной точности в измерении поляризации электронного пучка — величины, характеризующей распределение спинов электронов в одном направлении.

В этой статье мы рассмотрим, как работает комптоновская поляриметрия, зачем она нужна и какие перспективы она открывает для будущих исследований в области ядерной физики и физики частиц.

Что такое спин и поляризация

Спин — это квантовомеханическое свойство частиц, которое можно представить себе как вращение вокруг своей оси. Спин имеет дискретные значения, которые зависят от типа частицы. Например, электроны и фотоны имеют спин 1/2, то есть они могут вращаться только в двух противоположных направлениях, которые мы можем условно назвать «вверх» и «вниз».

Спин частицы определяет ее магнитный момент, то есть способность взаимодействовать с магнитным полем. Кроме того, спин влияет на статистическое поведение частиц, то есть на то, как они распределяются по энергетическим уровням и как они образуют составные системы. Например, частицы с целым спином, такие как фотоны, подчиняются бозе-статистике и могут существовать в одном и том же квантовом состоянии в произвольном количестве. Частицы с полуцелым спином, такие как электроны, подчиняются ферми-статистике и не могут занимать одно и то же квантовое состояние более чем одной частицей. Это принцип Паули, который определяет структуру атомов и молекул.

Поляризация — это величина, характеризующая распределение спинов частиц в пучке или потоке. Если все частицы имеют одинаковый спин, то поляризация равна единице. Если спины частиц распределены равномерно по всем направлениям, то поляризация равна нулю. Поляризация может быть продольной, если спины частиц параллельны направлению движения, или поперечной, если спины частиц перпендикулярны направлению движения.

Поляризация частиц имеет большое значение для физики, так как она влияет на вероятность различных процессов, таких как рассеяние, поглощение, излучение и т. д. Измеряя поляризацию частиц, можно получать информацию о силе и характере их взаимодействия с другими частицами и полями.

Как измерить поляризацию электронов

Схема комптоновского поляриметра (не в масштабе). Луч отклоняется с помощью магнитного крючка для взаимодействия с лазерной мишенью. Комптоново-рассеянные фотоны регистрируются интегрирующим детектором
Автор: Zec, A. and Premathilake, S. and Cornejo, J. C. and Dalton, M. M. and Gal, C. and Gaskell, D. and Gericke, M. and Halilovic, I. and Liu, H. and Mammei, J. and Michaels, R. and Palatchi, C. and Pan, J. and Paschke, K. D. and Quinn, B. and Zhang, J. doi:10.1103/PhysRevC.109.024323 Источник: journals.aps.org

Один из способов измерить поляризацию электронов — это использовать комптоновскую поляриметрию. Этот метод основан на явлении комптоновского рассеяния, которое заключается в том, что фотон, сталкиваясь с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса, а сам меняет свое направление и длину волны.

Комптоновское рассеяние зависит от спина электрона и фотона, а также от угла между ними. Если фотон и электрон имеют противоположные спины, то вероятность рассеяния выше, чем если они имеют одинаковые спины. Это означает, что измеряя энергию и угол рассеянных фотонов, можно определить поляризацию электронов.

Для этого необходимо создать столкновение между электронным пучком и лазерным лучом, имеющим известную поляризацию. Рассеянные фотоны регистрируются с помощью детектора, который может измерять их энергию и угол. Затем, используя теоретические формулы, можно вычислить поляризацию электронного пучка по данным о рассеянных фотонах.

Как достичь рекордной точности

Измерение поляризации электронов с помощью комптоновской поляриметрии требует высокой точности, так как оно подвержено различным источникам погрешностей. Например, необходимо точно знать энергию и положение электронного пучка, поляризацию и интенсивность лазерного луча, характеристики детектора и оптической полости, в которой происходит рассеяние. Кроме того, необходимо учитывать статистические флуктуации, которые могут быть уменьшены при увеличении количества данных.

В лаборатории Джефферсона ученые смогли достичь рекордной точности в измерении поляризации электронного пучка — 0,36%. Это превосходит предыдущий рекорд — 0,5%, установленный в 1994-95 годах в лаборатории SLAC. Это также соответствует требованиям для будущих экспериментов в лаборатории Джефферсона, таких как MOLLER и EIC, которые будут исследовать слабое взаимодействие и структуру адронов с помощью поляризованных электронов.

Зачем нужна комптоновская поляриметрия

Комптоновская поляриметрия не только позволяет измерить поляризацию электронов, но и использовать ее для проведения различных физических экспериментов, которые могут раскрыть новые явления и законы природы. Например, в лаборатории Джефферсона были проведены эксперименты PREX-II и CREX, которые были посвящены измерению нейтронной «кожи» атомных ядер.

Нейтронная кожа — это слой нейтронов, окружающих ядро атома, в котором количество нейтронов превышает количество протонов. Толщина этого слоя зависит от размера и структуры ядра, а также от силы, которая держит нуклоны вместе. Измерение нейтронной кожи может дать информацию о свойствах ядерной материи, а также о состоянии нейтронных звезд — небесных тел, состоящих из сверхплотной нейтронной субстанции.

Для измерения нейтронной кожи ученые использовали электронный пучок с высокой поляризацией, который рассеивался на ядрах свинца и кальция. При этом они измеряли нарушение паритета — симметрии между левым и правым направлениями в физике. Нарушение паритета проявляется в том, что вероятность рассеяния электронов в одном направлении отличается от вероятности рассеяния в противоположном направлении. Это связано с тем, что электроны взаимодействуют не только с электромагнитным полем ядра, но и со слабым полем, которое нарушает паритет.

Измеряя нарушение паритета, ученые смогли определить толщину нейтронной кожи ядер свинца и кальция с высокой точностью. Они обнаружили, что у свинца нейтронная кожа достаточно толстая, что влияет на свойства нейтронных звезд. У кальция же нейтронная кожа оказалась сравнительно тонкой, что подтвердило некоторые теоретические расчеты. Эти результаты имеют большое значение для понимания ядерной физики и астрофизики.

9 комментариев

A
У фотона спин — единица. Другой вопрос, что из-за его безмассовости проекция спина (поляризация) может принимать только два значения. Вообще, все неряшливо сделано — в одном месте спин электрона и фотона — половинки, потом заявляется, что фотон — это бозон с целым спином… Кстати, а чего половинки? У спина есть размерность действия, измеряется в единицах приведенной постоянной Планка...
«Нарушение паритета» — не «паритета», а четности. «Общечеловеческий» перевод гугла ничего не знает о специальной терминологии, так же, как и вы, впрочем.
Вот это — просто бред сивого мерина: «Если фотон и электрон имеют противоположные спины, то вероятность рассеяния выше, чем если они имеют одинаковые спины.»
Хватит пичкать неграмотную аудиторию неграмотными пересказами научных вещей!
M
Никакого спина на самом деле нет. Это исторически сложившееся понятие, унаследованное от тех времен, когда считалось, что магнитным моментом может обладать только вращающийся электрический заряд. Я знаю, что так не принято говорить. Но на самом деле точно так же, как с положительной и отрицательной энергией в случае с частицами и анти-частицами, тут все дело в знаке импульса. Он тоже может быть положительным и отрицательным. С классической точки зрения разницы нет. Ибо отрицательный импульс означает, что частица просто движется в противоположном направлении. Но есть разница в квантовом случае. Потому, что от этого зависит, добавляется ли векторный потенциал электромагнитного поля к импульсу или из него вычитается. А от этого, собственно, и зависит магнитный момент.
A
Спин — это не импульс, а момент. Это совсем разные и независимые вещи даже в классике. А уж в квантах…
M
Нет никакого момента, т.к. нет никакого вращения. Речь идет просто о несимметричности частицы относительно вращений, т.е. наличии некой ориентации в пространстве, и его сохранении, т.е. невозможности его поменять без взаимодействия с другой частицей. Момент импульса это некая классическая аналогия подобного эффекта. Но это не момент импульса. Магнитный момент есть. И частице просто приписывается момент импульса по аналогии с классической физикой. Но на самом деле его нет. Есть два знака импульса. Есть условно p + eA и -p + eA, что обычно переворачивается и превращается в p — eA. Прикол в чем. Даже если бы мы ничего не знали о линеаризации уравнений от товарища Дирака, все равно бы уравнение вида E²-p²=m² имело бы 4 решения. (p, E), (-p, E), (p, -E) и (-p, -E). То, что эти решения объединяются в один вектор — это большой математический прикол.
A
Это же кванты. Вращения, может и нет, а момент, представьте себе, есть. Да еще наблюдается на экспериментах.
Насчет знаков импульса и прочих ваших перлов, будем считать, что я ничего не видел и не читал… Поэтому повторю еще раз. Моменты и импульсы — это независимые физические величины, законы сохранения для них вытекают из совершенно разных симметрий пространства. А сложение моментов в квантах и, особенно, в ядерной физике — это отдельная олимпиада со своими формулами со всякими «клебшами». Если помните, «странности» сложения моментов квантовой механики выявились при наблюдении расщеплений спектральных линий (тонкие, сверхтонкие).
Кстати, уравнение Дирака идет в спинорах в отличии от уравнения Клейна-Гордона.
M
Момент импульса выводится через классическое гиромагнитное соотношение. Это просто условность. На деле же есть только вектор из 4х состояний и вероятность обнаружить частицу в одном из них. Все сохранение этой величины, которое можно увидеть и в классических опытах, сводится только к невозможности поменять этот вектор без взаимодействия с другими частицами. И момент импульса будет условностью до тех пор пока нам не удастся доказать, что только два возможных значения спина являются лишь частными случаями условно стабильных состояний, как это происходит для орбитального момента.
A
Никаких условностей нет. Насчет вектора четырех состояний и вероятности — это вы придумываете на ходу. Так же как вы пытаетесь что-то добавить к закону сохранения момента, вытекающему из изотропности пространства. Что касается спинов, правил сложения моментов в квантах — почитайте все-таки учебник по квантам. Эти правила очень сильно отличаются от классических. В отличии от обычных импульсов, где все идет практически по классике.
1
Автор уже покусился на основы Квантовой Механики — постулат об изменению состоянии системы при измерении физических величин.
Автор, спин электрона не измеряют — он равен 1/2.
Если тебе удастся доказать отклонение от этого числа, то ты ниспровергнешь всю современную физику.
В обсуждаемом эксперименте идёт речь об измерении проекции вектора спина на определенное направления. Пучки электронов могут быть не поляризованными, иметь линейную или циркулярную поляризацию.
A
Автор вообще все перепутал. Измерялся не спин электрона, а степень поляризации.
Ближе к концу 80-х в Протвино планировали сделать два ускорителя — линейный электрон-позитронный (ВЛЭПП) и кольцевой протон-антипротонный (УНК). Так вот, на ВЛЭПП планировалось организовать и фотон-фотонные пучки вместе с фотон-электронными. Фотонные пучки получались бы как раз подсветкой лазером электронных. Насколько я видел, работы по фотонным пучкам продолжались до конца 90-х. Во всех расчетах Гинзбурга-Сербо-Коткина (Новосибирск) рассматривались варианты с поляризациями (я тоже немного приложил руку к тем расчетам для ВЛЭПП).
Похоже товарищи-буржуи наконец-то добрались до статей сорокалетней давности. )))

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Двери экошпон: что за материал, плюсы и минусы

В последнее время на рынке отделочных материалов все чаще можно встретить такой продукт, как двери, покрытые экошпоном. Этот инновационный материал привлекает внимание не только своим эстетическим...

Как понять, что у кошки стресс и как с ним бороться

Стрессы мешают жить не только людям, но и их питомцам. Даже таким совершенным созданиям как кошки. Да, эти великолепные в своей самоуверенности и харизме мурлыки тоже испытывают стресс. И для этого...

Обзор и тест внешнего CD/DVD дисковода «No Name» ECD819-SU3: он работает... И точка?

Как верный солдат, мой старый внешний «дискодав», преданно служивший мне около двух десятилетий, однажды решил, что пора уйти на заслуженный отдых. Он начал капризничать, выдавая ошибки чтения, и...

Одни из самых доступных на рынке! Обзор TWS наушников Hiper HTW-APX23/22 с ААС профилем

Сегодня мы рассмотрим две модели беспроводных TWS наушников Hiper HTW-APX23/22, которые различаются названиями, но на самом деле являются одним и тем же устройством. Разница между ними...

Обзор гидромассажной ванночки для ног Helst HFM-605 Aquilegia

Наши ноги, а особенно стопы несут нагрузку всего тела, страдают от неудобной обуви, и им особенно нужен отдых и забота после насыщенного дня. Хороший вариант расслабить стопы, улучшить...

Может ли «облачная инженерия» спасти нас от климатической катастрофы?

Планета лихорадит. Глобальное потепление, подобно невидимому художнику, наносит на полотно Земли мазки засухи, наводнений и экстремальных температур. Человечество, осознавая свою роль в этой...