作者:布鲁克海文国家实验室的克里斯·帕特里克
放大的3BBU-MF e+3He图像，两个质子都标记在罗马锅硅探测器平面上
为了能看到这一事件，光束管被制成半透明的
图中省略了非动量探测器，以使事件更容易观察
信用:DOI: 10
1016/j
物理b
2021
136726 迪恩·阮和詹尼弗·里顿豪斯·韦斯特研究两种微小但极其重要的粒子，以进一步了解我们的宇宙
这两个粒子，中子和质子，位于原子的中心，构成了我们所能看到的几乎所有物质
它们的统称是核子
“我们观察核子内部的原因和我们观察夜空、恒星和星系的原因差不多:因为我们好奇
因为我们想知道我们是由什么构成的，我们是如何构成的，以及我们是如何融入宇宙的，”美国大学电子-离子对撞机中心研究员里顿豪斯·韦斯特说
S
能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施和能源部劳伦斯·伯克利国家实验室博士后研究员
Nguyen和里顿豪斯·韦斯特最近与他们的10位同事在《物理快报B》上发表了一篇论文，题目是“在电子-离子对撞机上用双观察者标记从e-3He散射得到的中子自旋结构”
“他们的工作描述了一种方法，他们希望在未来的电子-离子对撞机(EIC)上使用这种方法来理解中子自旋，中子自旋是描述粒子内部角动量的粒子固有属性
里顿豪斯·韦斯特说:“除了出于好奇而研究这些东西之外，事实是，为了理解其他实验、非常高能的过程，甚至原子物理，必须精确理解核子自旋。”
“为了研究这些其他难题，需要确定中子的自旋
" 中子自旋是复杂的
每个中子都是由三个更小的旋转粒子组成的，它们被称为夸克，还有一大堆其他粒子
三个主要“价”夸克的自旋只占中子总自旋的25%到30%
胶子，即在核子中将夸克结合在一起的粒子，以及反夸克海，即夸克的反物质粒子，也会影响中子的自旋
三价夸克也在相互运动，这种运动产生的所谓轨道角动量也会影响总自旋
为了确定每个参与者对中子总自旋的贡献有多大——在粒子物理单位中总自旋为1/2——研究人员通过向中子发射高能电子来探测中子的内部结构
当一个电子穿透一个中子并与它的一个夸克碰撞时，该电子被偏转，并且可以被测量以提供中子内部发生的事情的图像
然而，中子本身在自然界中不会存在很久
相反，它们在原子核内被发现，这使得测量它们的性质比测量质子困难得多，质子足够稳定，可以单独存在
阮、里顿豪斯·韦斯特和他们的团队发现了如何更好地测量中子的性质
“这个项目的独特之处在于，我们能够模拟一种新的方法来隔离中子，”该项目的实验物理学家、杰斐逊实验室核实验博士后内森·伊斯古尔·阮说
“我们想出了一个主意，利用新设施的特点将中子的信息从原子核中分离出来
" 新设施是即将在美国能源部布鲁克海文国家实验室建造的EIC或电子离子对撞机
EIC将碰撞不同粒子的光束，以了解更多关于核子的知识，它将有一个特殊的探测器区域，可以探测以前无法到达的粒子
该团队提出了一个想法，如何从实验数据中分离出关于中子自旋的新信息
在未来的实验中，该团队提议将电子束与氦-3离子束碰撞，氦-3的原子核中含有两个质子和一个中子
这个特殊的探测区域将能够获得氦-3原子核中两个质子的测量值，这个过程被称为双重标记
这种对氦-3原子核中两个质子的双重标记，使得研究小组能够不受阻碍地接触到氦-3原子核中目前仅存的粒子——中子
Nguyen说:“这将提供一个在自然界或现有实验设施中不容易获得的“有效自由中子”目标。”
EIC的建设预计将于2024年开始
当机器启动时，研究小组希望测试他们的新技术，以确定双质子测量是否可能
一旦他们证明这是可行的，他们将评估测量有多好
Nguyen说:“这种新技术将提供更精确的测量来理解中子自旋的结构。”
“以前的技术需要许多不同的校正来提取中子信息
这些修正带来了很大的不确定性
" 这种新方法需要更少的修正，意味着更少的不确定性
“当我们进行这些修正时，我们的误差线会变得更大，这些修正实际上是包含一些假设的模型
我们能避免的建模越多，这些自旋结构观测值的误差条就越来越窄，”里顿豪斯·韦斯特说
EIC前所未有的能力将为新的测量提供机会，比如中子自旋的替代方法
里顿豪斯·韦斯特说:“有一些谜题和谜团我们想要解答，特别是对于中子的自旋结构，我们可以用电子-离子对撞机来解答。”
杰佛逊实验室EIC中心主任Nguyen，Douglas Higinbotham，以及两位EIC中心的研究员，Ivica Friš cic和Jackson Reeves Pybus，是杰佛逊实验室这个项目的最初成员
后来，该小组邀请了四名博士后:来自布鲁克海文实验室的亚历克斯·詹奇和周敦明·图，来自杰弗逊实验室的阿伦·塔德帕利，以及理论物理学家里顿豪斯·韦斯特
麻省理工学院的教授理查德·米尔纳和奥尔·亨，以及麻省理工学院的博士生埃夫雷恩·塞加拉和马克·D的首席顾问马可·贝克
贝克物理和探测器模拟有限责任公司对团队进行了补充
Nguyen说:“这就是这些团体联合起来让我们变得更强大的方式。”
“尽管我们做的事情不同，但当我们在同一个项目上工作时，我们会互相帮助
我真的很感谢在这个项目上的伟大合作
这是我们所有人的工作
" 总之，Nguyen和里顿豪斯·韦斯特与另外四名博士后、两名研究生和四名高级研究人员在这项工作上进行了合作，这意味着早期职业物理学家的数量超过了更有经验的物理学家
里顿豪斯·韦斯特于2019年完成博士学位
阮在2018年完成了她的作品
作为职业生涯中处于相似位置的两位物理学家，里顿豪斯·韦斯特和阮说他们感到彼此匹配、相互激励、相互支持
“与职业生涯早期的同事一起工作的美妙之处在于一种严肃的思想和表达自由
我真的不在乎自己说了什么傻话，目标只是为了明白！”里顿豪斯·韦斯特说
但当他们陷入困境时，两人都可以求助于更有经验的团队成员
他们也喜欢教和鼓励年轻学生
“我认为有一个非常好的经验水平的多样性，”阮说
“我真的很喜欢不同世代的混合
在这个项目中，它确实有所帮助
它非常有活力，每一代人都互相支持
" 两人期待继续合作，共同成长
“未来10年，我们希望一起成为高级研究人员
”阮说
在窗口期的某个时候，EIC将会完工
一旦它启动并运行，团队希望通过这项工作测试他们的结果
“当EIC号开启时，我们就可以出发了
我们知道我们想通过实验测量什么，我们将有更多的理论计算，”Nguyen说
从现在到那时，更多的早期职业科学家将有机会参与EIC
“这是成为EIC运动一部分的理想时机——来加入我们吧
”里顿豪斯·韦斯特说
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