美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，開發(fā)出一種非侵入性的方法，可以在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)上測量極化質(zhì)子的“自旋調(diào)諧”，這是維持這些自旋粒子排列的重要因素。這項(xiàng)技術(shù)類似于磁共振成像(MRI)操縱質(zhì)子自旋以“看到”體內(nèi)結(jié)構(gòu)的方式。

就像核磁共振一樣，這項(xiàng)技術(shù)可以用作“診斷”工具，在這種情況下，它可以提高對(duì)撞機(jī)的性能，因?yàn)樗剿髁速|(zhì)子的內(nèi)部組成是如何影響質(zhì)子自旋的。

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室對(duì)撞機(jī)加速器部門的負(fù)責(zé)人托馬斯·羅瑟(Thomas Roser)說：為了了解質(zhì)子的構(gòu)成要素（夸克和膠子）是如何促成自旋的，我們讓質(zhì)子束發(fā)生碰撞，這些質(zhì)子各個(gè)自旋方向是‘極化的’，這意味著盡可能地對(duì)齊，但是外力和一些測量偏差的方法可以使光束“去偏”。這項(xiàng)新技術(shù)測量了質(zhì)子進(jìn)動(dòng)的幅度和頻率（這些旋轉(zhuǎn)粒子的軸線偏離其完美排列路徑的圓形偏差）而不會(huì)破壞質(zhì)子束的穩(wěn)定。

是什么讓質(zhì)子搖擺？

當(dāng)加速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以非侵入性地測量進(jìn)動(dòng)，這給了我們信息，可以用來進(jìn)行調(diào)整，保持質(zhì)子對(duì)齊。對(duì)于相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)或任何圓形加速器中的極化光束，每個(gè)質(zhì)子束的平均自旋方向與加速器磁場一致。但就像旋轉(zhuǎn)的陀螺開始擺動(dòng)一樣，質(zhì)子軸有時(shí)會(huì)開始繞著偏離完美排列的圓形路徑旋轉(zhuǎn)，這種擺動(dòng)被稱為進(jìn)動(dòng)。如果某些外部來源，如磁場中的小缺陷，與進(jìn)動(dòng)頻率同步，就會(huì)放大質(zhì)子的擺動(dòng)，導(dǎo)致光束去極化。

已經(jīng)有其他方法來測量進(jìn)動(dòng)頻率，但迄今為止使用的技術(shù)有效地導(dǎo)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(jìn)動(dòng)頻率，這樣就可以進(jìn)行校正以保持質(zhì)子對(duì)齊，甚至在需要的時(shí)候反轉(zhuǎn)它們的自旋方向。這項(xiàng)新技術(shù)工作原理類似于核磁共振掃描的工作方式：首先，強(qiáng)大的磁場使所有質(zhì)子的自旋對(duì)準(zhǔn)，然后科學(xué)家施加可變頻率的外部電磁場，搜索質(zhì)子軸開始偏離穩(wěn)定的頻率。

這就像調(diào)諧一個(gè)老式的收音機(jī)旋鈕來搜索電臺(tái)，關(guān)鍵是要在不引發(fā)失穩(wěn)的情況下接近傾倒頻率。在磁共振成像中，質(zhì)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)提供了關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)中，提供了關(guān)于如何調(diào)整加速器磁鐵以保持光束偏振的信息。這項(xiàng)新技術(shù)將為相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)的核物理研究，帶來更穩(wěn)定和優(yōu)化的操作，也可以用于計(jì)劃位于美國的極化電子-離子對(duì)撞機(jī)。

博科園｜研究/來自：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.204803

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