Los diamantes son una de las gemas más codiciadas. Pero aunque algunos quieran el diamante perfecto por su brillo, los físicos codician los diamantes correctos para perfeccionar sus experimentos. La gema es un componente clave en un sistema novedoso que permite mediciones de precisión que podrían conducir aal descubrimiento de una nueva física en el reino subatómico: el dominio de las partículas y las fuerzas que construyen el núcleo del átomo.
Las exploraciones de este reino requieren sondas únicas con las características correctas, como los electrones que están preparados para experimentos dentro de la Instalación del Acelerador de haz de electrones continuo en Jefferson Lab.
CEBAF es un destructor de átomos. Puede tomar electrones ordinarios y empaquetarlos con la energía correcta, agruparlos en el número correcto y hacer que esos grupos giren de la manera correcta para sondear el núcleo del átomo y obtenerla información que quieren los físicos.
Pero para garantizar que los electrones con las características correctas se hayan marcado para el trabajo, los físicos nucleares deben poder medir los electrones antes de enviarlos a los núcleos. Ahí es donde entra un dispositivo llamado Hall C Compton PolarimeterMide los giros de los grupos de electrones que CEBAF está a punto de usar para experimentos.
"Se trata de medir la propiedad de la polarización del haz: qué fracción de los espines de los electrones en el haz están alineados", dice Mark Dalton, científico del personal de Jefferson Lab y miembro del equipo que diseñó, construyó y operó el polarímetro.
La polarización del haz es una cantidad clave en muchos experimentos. Por lo general, un experimentador volteará deliberadamente el giro de los electrones en el haz entre dos orientaciones: con los electrones girando en la dirección en la que viajan y con los electrones girando en dirección opuesta a la direcciónestán viajando. Esto permite a los físicos comparar los resultados que obtienen entre estas dos condiciones, pero solo mientras conozcan la polarización en ambas condiciones con gran precisión.
El polarímetro Hall C Compton proporciona esa precisión. Funciona al iluminar primero los rayos láser con los electrones a alta velocidad.
"Entonces, cuando estás haciendo brillar este láser en los electrones, se apaga un poco", explica Dalton. "Estamos viendo la diferencia en las tasas de dispersión de luz en los electrones cuando estángirando a lo largo de la dirección de desplazamiento y opuesto "
Para ver esa diferencia, los físicos hacen brillar un rayo láser a través de una ventana de vacío transparente y hacia el haz de electrones.
"Para hacer brillar la luz láser en el tubo del rayo, debe pasar por una ventana de vacío, y la tensión en la ventana de vacío hace que la ventana se distorsione, lo que distorsiona su rayo láser", explicó Dalton.
Estas distorsiones en el rayo láser, en el pasado, condujeron a las incertidumbres dominantes en las polarizaciones del rayo extraído. Los físicos necesitaban encontrar una forma de evitar esta distorsión. Descubrieron que la respuesta era tan simple como mirarse en el espejo.
"Básicamente, a medida que brillas la luz, una pequeña fracción se refleja y regresa hacia el láser. Si separas la parte que regresa y analizas sus propiedades, puedes aprender cuáles son las propiedades cuando la luz del láser incidelos electrones ", dijo Dalton.
Con ese problema resuelto, los físicos nucleares necesitaban poder contar los electrones que la luz láser expulsaba del haz. Al comparar cuántos se eliminan cuando los electrones giran en la dirección de desplazamiento y compararSi la cantidad de electrones eliminados del haz cuando giran en sentido opuesto a la dirección de desplazamiento, los físicos pueden obtener su medición final de polarización.
Para eso, necesitaban un material fuerte que pudiera resistir el bombardeo constante de las partículas. Según Dipangkar Dutta, profesor de física en la Universidad Estatal de Mississippi y miembro del equipo del Polarímetro Compton del Hall C, otros experimentos han utilizado silicio para estocomponente, llamado detector. Pero el silicio no puede resistir el bombardeo constante de partículas que generan algunos experimentos.
"Para capturar la mayoría de los electrones noqueados, su detector tiene que estar muy, muy cerca del haz principal, por eso se expone a mucha radiación. Y la tolerancia a la radiación del haz es una propiedad muy importante", Duttadijo.
Fue entonces cuando determinaron que el diamante también puede ser el mejor amigo de un físico.
El novedoso sistema utiliza finas astillas de diamante en lugar de silicio. Placas de diamante especialmente cultivadas en laboratorio, que miden aproximadamente tres cuartos de pulgada cuadrada y apenas dos centésimas de pulgada de grosor, se equiparon como chips de computadora, con electrodospegado a ellos
"Si construye un chip de computadora en un diamante en lugar de una oblea de silicio, puede verse afectado con mucha, muchas veces más radiación que el silicio", explicó Dutta. "Este es un detector nuevo. Nadie ha usado este tipo de detectoren un experimento de física antes, por eso fue muy innovador "
Este novedoso detector se puso a prueba en su primer conjunto de experimentos en 2010-2012. Según David Gaskell, científico del personal de Jefferson Lab y líder del equipo Hall C Compton Polarimeter, el dispositivo proporcionó la medición más directa y precisa depolarización del haz de electrones a alta corriente del haz de electrones de CEBAF hasta la fecha, con incertidumbres de solo 0.6 por ciento.
"Esta precisión se ha logrado con energías de haz más altas, pero es mucho, mucho más difícil con energías más bajas, como las energías que usamos en Jefferson Lab", dijo Gaskell. "Sabía que el polarímetro satisfaría las necesidades delexperimento, pero si me hubieras preguntado hace cinco años si pudiéramos llegar a este nivel de precisión, me habría reído por todo el pasillo. Pero, una vez que obtuvimos la respuesta final de lo que logró este dispositivo, me sorprendióa qué tan bien resultó ".
El equipo publicó un análisis del rendimiento del polarímetro en la edición de enero-marzo de 2016 de Revisión física X . Este es el primer artículo publicado sobre la investigación de Jefferson Lab en esta revista altamente selectiva, solo en línea, de acceso totalmente abierto que se lanzó en mayo de 2011.
El objetivo de las mediciones de precisión que este nuevo dispositivo ayuda a hacer posible es descubrir una nueva física en el ámbito subatómico: el dominio de las partículas y las fuerzas que forman el núcleo del átomo, como los protones y los neutrones, y sus quarksy gluones.
El polarímetro se desplegó inicialmente para el experimento Q-débil en el Hall C. de Jefferson Lab. Este experimento tenía como objetivo medir la fuerza débil, una fuerza que actúa sobre partículas subatómicas y es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con el electromagnetismo, la gravedad yla fuerza fuerte Las partículas subatómicas llevan una carga débil, una medida de la influencia que la fuerza débil puede ejercer sobre ellas.
Q-débil midió la carga débil del protón, una cantidad que el Modelo estándar de física de partículas predice con mucha precisión, pero que nunca antes se había medido. Los físicos han publicado resultados preliminares para el experimento, y ahora están trabajando enel resultado final.
Pero el equipo dijo que el Polarímetro Compton Hall C funcionó tan bien que puede ser una de las muchas tecnologías que hacen posible una nueva generación de experimentos para explorar nuevas partículas y fuerzas que van más allá de la descripción del modelo estándar del sub-Reino atómico.
"Si no pudiéramos hacer que esto funcione, el acceso a la física más allá del Modelo Estándar será mucho más difícil, mucho más incierto. Por lo tanto, este es un desarrollo técnico clave que permitirá a Jefferson Lab acceder realmente a esta nueva áreade física ", dijo Gaskell.
Estas son buenas noticias para los tres estudiantes de posgrado que también hicieron contribuciones significativas al Polarímetro Compton Hall C mientras realizaban su doctorado en física nuclear. Amrendra Narayan, Universidad Estatal de Mississppi, trabajó en los detectores y análisis de diamantes; Don Jones,La Universidad de Virginia trabajó en el sistema láser; y Juan Carlos Cornejo, del Colegio de William and Mary, trabajó en el detector de fotones.
Sin embargo, el equipo no descansa sobre sus laureles. Ahora los físicos están enfocados en mejorar aún más la precisión del polarímetro, para que sus diamantes estén listos para brillar para el próximo experimento de precisión.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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