電子是一種帶有負(fù)電荷的微小粒子，它們構(gòu)成了原子的外層。電子不僅有電荷，還有自旋，這是一種類似于旋轉(zhuǎn)的內(nèi)在性質(zhì)。電子的自旋可以沿著任何方向，但是當(dāng)我們用磁場(chǎng)或者光來(lái)測(cè)量它時(shí)，我們只能得到兩個(gè)可能的結(jié)果：自旋向上或者向下。

電子的自旋對(duì)于物理學(xué)的許多領(lǐng)域都非常重要，比如原子物理、凝聚態(tài)物理、核物理、粒子物理等等。如果我們能夠精確地測(cè)量電子的自旋，我們就能夠探索這些領(lǐng)域的許多未解之謎，比如電子的磁矩、弱相互作用、中微子物理等等。但是，測(cè)量電子的自旋并不是一件容易的事情，因?yàn)殡娮邮欠浅Ｎ⑿〉模曳浅？焖俚模覀冃枰靡恍┣擅畹姆椒▉?lái)捕捉它們的自旋信息。

最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇論文，報(bào)告了一項(xiàng)用激光測(cè)量電子的自旋的高精度實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在美國(guó)的杰斐遜實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，它是在2020年的鈣半徑實(shí)驗(yàn)（CREX）的過(guò)程中完成的。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量2 GeV的電子束的極化度，也就是電子自旋向上或者向下的比例。他們使用了一種叫做康普頓散射的過(guò)程，這是一種電子和光子相互碰撞的過(guò)程，其中電子和光子的自旋都會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)散射后的光子，我們就能夠推斷出電子的自旋。

康普頓散射的原理很簡(jiǎn)單，就像是臺(tái)球的碰撞一樣，只不過(guò)這里的球是電子和光子，而且它們的運(yùn)動(dòng)遵循相對(duì)論的規(guī)律。當(dāng)一個(gè)電子和一個(gè)光子相遇時(shí)，它們會(huì)互相交換一些能量和動(dòng)量，同時(shí)也會(huì)交換一些自旋。如果我們知道了散射前的電子和光子的能量、動(dòng)量和自旋，我們就能夠計(jì)算出散射后的電子和光子的能量、動(dòng)量和自旋，反之亦然。這就是康普頓散射的基本原理，它是由物理學(xué)家阿瑟·康普頓在1923年發(fā)現(xiàn)的，他因此獲得了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家們使用了一束能量為2 GeV的電子束，它是由杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)電子加速器（CEBAF）產(chǎn)生的，這是一臺(tái)世界上最強(qiáng)大的電子加速器之一，它可以將電子加速到接近光速的99.999%。然后，他們用一臺(tái)激光器產(chǎn)生了一束能量為1.17 eV的圓偏振光，它的波長(zhǎng)為1064 nm，是一種紅外光。他們將這束激光和電子束在一個(gè)真空室內(nèi)相交，使得電子和光子發(fā)生康普頓散射。由于電子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光子的能量，所以散射后的電子的能量變化很小，而散射后的光子的能量則大大增加，達(dá)到了幾百兆電子伏特。這些高能光子被稱為反向康普頓散射光子，因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動(dòng)方向和原來(lái)的光子相反。

物理學(xué)家們使用了一個(gè)特制的光子探測(cè)器，來(lái)測(cè)量反向康普頓散射光子的能量和數(shù)量，從而推斷出電子束的極化度。這個(gè)光子探測(cè)器是由一個(gè)鉛玻璃閃爍體和一個(gè)硅光電倍增管組成的，它可以將光子的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后用一個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行放大和分析。這個(gè)光子探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制造是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它具有高效率、高分辨率、高穩(wěn)定性和高抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，它可以在高強(qiáng)度的電子束和激光的環(huán)境下工作，而不受它們的影響。

通過(guò)對(duì)反向康普頓散射光子的測(cè)量，物理學(xué)家們得到了電子束的極化度的結(jié)果是0.865，也就是說(shuō)電子束中有86.5%的電子的自旋是向上的，而13.5%的電子的自旋是向下的。這個(gè)結(jié)果的精度達(dá)到了千分之三的水平，這是有史以來(lái)用康普頓散射測(cè)量電子束極化度的最高精度，超過(guò)了之前的世界紀(jì)錄，這個(gè)精度已經(jīng)達(dá)到了未來(lái)的一些重大實(shí)驗(yàn)的要求。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)物理學(xué)的壯舉，它展示了用激光測(cè)量電子的自旋的強(qiáng)大能力，它為未來(lái)的物理學(xué)研究提供了一個(gè)可靠的工具。但是我們還有很多工作要做：我們還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析，比如研究不同的散射角度和能量區(qū)間的極化變化，以及與其他物理量的相關(guān)性；我們還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行更多的測(cè)試和改進(jìn)，比如提高激光的功率和穩(wěn)定性，優(yōu)化光學(xué)腔的調(diào)節(jié)和反饋，提高光子探測(cè)器的分辨率和效率，以及增加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度和容量等。