Polarization Effects in Scattering of Relativistic Electrons

Przedmiotem badań były efekty polaryzacyjne w rozpraszaniu Møllera, to jest w elastycznym rozpraszaniu dwóch elektronów. Celem pracy była weryfikacja przewidywań relatywistycznej mechaniki kwantowej w odniesieniu do przekazu polaryzacji (zależności między polaryzacją wiązki i polaryzacją elektronów po rozproszeniu) oraz korelacji spinowych pomiędzy dwoma cząstkami w stanie koń cowym. Motywacją przeprowadzonych badań był fakt, iż w eksperymentach ko relacyjnych przeprowadzonych dotychczas nie było możliwe zaobserwowanie efek tów relatywistycznych, z powodu zbyt małej energii cząstek. Złożony charakter pomiaru, polegającego na dwóch następujących po sobie oddziaływaniach elektronu w dwóch różnych tarczach, wymagał zaprojektowania i zbudowania dedykowanego układu pomiarowego. Do przeprowadzenia ekspery mentu wykorzystana została wiązka elektronów z akceleratora Mainzer Mikrotron o energii 3 MeV. W trakcie zderzenia spolaryzowany elektron wiązki przekazy wał część swojej polaryzacji niespolaryzowanemu elektronowi wybijanemu z tar czy wykonanej z berylu. Następnie pomiar polaryzacji elektronów pochodzących z rozpraszania Møllera wykonywany był metodą polarymetrii Motta, która polega na rozproszeniu elektronu na jądrze ciężkiego pierwiastka, w tym przypadku złota. Dodatkowo, do optymalizacji układu doświadczalnego, a także do wyznaczenia końcowego wyniku, konieczne było przeprowadzenie symulacji komputerowej, w tym stworzenie dedykowanego modelu rozpraszania Motta. Analiza danych zebranych w roku 2020 pozwoliła po raz pierwszy wyznaczyć przekaz polaryzacji w rozpraszaniu Møllera. Wyniki eksperymentu zostały porów nane z przewidywaniami relatywistycznej mechaniki kwantowej. Zmierzony sto sunek polaryzacji elektronów przed i po rozproszeniu okazał się zgodny z przewidy waniami teoretycznymi. Średnia polaryzacja elektronów w stanie końcowym roz praszania Møllera została wykorzystana do obliczenia eksperymentalnych ograni czeń wartości funkcji korelacji. Przewidywania oparte o rachunki nierelatywisty czne zostały wykluczone przez wynik doświadczalny na wysokim poziomie znaczo ności

Considered in the presented study were polarization effects in Møller (elastic electron–electron) scattering. The primary aim of this work was to verify the pre dictions of relativistic quantum mechanics regarding polarization transfer (relation between primary-beam polarization and electron polarization after the scattering) and spin correlations between two particles in the final state. This study was mo tivated by the fact that in all of the spin-correlation experiments performed until now the energy of the particles was too low to observe relativistic effects. Taking into account the complex nature of the measurement, which consisted of subsequent electron interactions in two different targets, a dedicated experimen tal setup had to be designed and constructed. A 3 MeV electron beam from the Mainzer Mikrotron accelerator was used in the experiment. In the scattering off a target made of beryllium, a polarized beam electron transferred part of its po larization to an unpolarized target electron. Subsequently, the polarization of the electron originating from Møller scattering was measured using the Mott polarime try method, by electron scattering off gold nuclei. The use of computer simulation methods, including implementation of a dedicated Mott scattering model, was necessary to optimize the experimental setup and to determine the final result. Analysis of the data collected in 2020 resulted in the first determination of the polarization transfer in Møller scattering. The results of the experiment were com pared to the predictions of relativistic quantum mechanics. The ratio of electron polarizations before and after the scattering was found to be in agreement with the theoretical predictions. The average polarization of electrons in the final state was used to calculate the experimental limits on the correlation function. Results of the nonrelativistic calculations were excluded by the experimental result with high significance.