2019-12-14 09:18:12 博科園

博科園：本文為粒子物理學類

美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家，開發出一種非侵入性的方法，可以在相對論重離子對撞機(RHIC)上測量極化質子的“自旋調諧”，這是維持這些自旋粒子排列的重要因素。這項技術類似於磁共振成像(MRI)操縱質子自旋以“看到”體內結構的方式。就像核磁共振一樣，這項技術可以用作“診斷”工具，在這種情況下，它可以提高對撞機的性能，因為它探索了質子的內部組成是如何影響質子自旋的。

布魯克海文實驗室對撞機加速器部門的負責人托馬斯·羅瑟(Thomas Roser)說：為了瞭解質子的構成要素（夸克和膠子）是如何促成自旋的，我們讓質子束髮生碰撞，這些質子各個自旋方向是‘極化的’，這意味著儘可能地對齊，但是外力和一些測量偏差的方法可以使光束“去偏”。這項新技術測量了質子進動的幅度和頻率（這些旋轉粒子的軸線偏離其完美排列路徑的圓形偏差）而不會破壞質子束的穩定。

是什麼讓質子搖擺？

當加速器運轉時，可以非侵入性地測量進動，這給了我們信息，可以用來進行調整，保持質子對齊。對於相對論重離子對撞機或任何圓形加速器中的極化光束，每個質子束的平均自旋方向與加速器磁場一致。但就像旋轉的陀螺開始擺動一樣，質子軸有時會開始繞著偏離完美排列的圓形路徑旋轉，這種擺動被稱為進動。如果某些外部來源，如磁場中的小缺陷，與進動頻率同步，就會放大質子的擺動，導致光束去極化。

已經有其他方法來測量進動頻率，但迄今為止使用的技術有效地導致了這種測量試圖避免的去極化。新新方法在不使光束去偏的情況下測量進動頻率，這樣就可以進行校正以保持質子對齊，甚至在需要的時候反轉它們的自旋方向。這項新技術工作原理類似於核磁共振掃描的工作方式：首先，強大的磁場使所有質子的自旋對準，然後科學家施加可變頻率的外部電磁場，搜索質子軸開始偏離穩定的頻率。

這就像調諧一個老式的收音機旋鈕來搜索電臺，關鍵是要在不引發失穩的情況下接近傾倒頻率。在磁共振成像中，質子進動產生的信號提供了關於內部結構的信息。在相對論重離子對撞機中，提供了關於如何調整加速器磁鐵以保持光束偏振的信息。這項新技術將為相對論重離子對撞機的核物理研究，帶來更穩定和優化的操作，也可以用於計劃位於美國的極化電子-離子對撞機。