電子是一種帶有負電荷的微小粒子，它們構成了原子的外層。電子不僅有電荷，還有自旋，這是一種類似于旋轉的內在性質。電子的自旋可以沿著任何方向，但是當我們用磁場或者光來測量它時，我們只能得到兩個可能的結果：自旋向上或者向下。

電子的自旋對于物理學的許多領域都非常重要，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量電子的自旋，我們就能夠探索這些領域的許多未解之謎，比如電子的磁矩、弱相互作用、中微子物理等等。但是，測量電子的自旋并不是一件容易的事情，因為電子是非常微小的，而且非常快速的，我們需要用一些巧妙的方法來捕捉它們的自旋信息。

最近發(fā)表在《物理評論快報》的一篇論文，報告了一項用激光測量電子的自旋的高精度實驗，這項實驗是在美國的杰斐遜實驗室進行的，它是在2020年的鈣半徑實驗（CREX）的過程中完成的。這項實驗的目的是測量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程，這是一種電子和光子相互碰撞的過程，其中電子和光子的自旋都會發(fā)生變化。通過檢測散射后的光子，我們就能夠推斷出電子的自旋。

康普頓散射的原理很簡單，就像是臺球的碰撞一樣，只不過這里的球是電子和光子，而且它們的運動遵循相對論的規(guī)律。當一個電子和一個光子相遇時，它們會互相交換一些能量和動量，同時也會交換一些自旋。如果我們知道了散射前的電子和光子的能量、動量和自旋，我們就能夠計算出散射后的電子和光子的能量、動量和自旋，反之亦然。這就是康普頓散射的基本原理，它是由物理學家阿瑟·康普頓在1923年發(fā)現的，他因此獲得了1927年的諾貝爾物理學獎。

在這項實驗中，物理學家們使用了一束能量為2 GeV的電子束，它是由杰斐遜實驗室的連續(xù)電子加速器（CEBAF）產生的，這是一臺世界上最強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，他們用一臺激光器產生了一束能量為1.17 eV的圓偏振光，它的波長為1064 nm，是一種紅外光。他們將這束激光和電子束在一個真空室內相交，使得電子和光子發(fā)生康普頓散射。由于電子的能量遠遠大于光子的能量，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，因為它們的運動方向和原來的光子相反。

物理學家們使用了一個特制的光子探測器，來測量反向康普頓散射光子的能量和數量，從而推斷出電子束的極化度。這個光子探測器是由一個鉛玻璃閃爍體和一個硅光電倍增管組成的，它可以將光子的能量轉換為電信號，然后用一個電子學系統進行放大和分析。這個光子探測器的設計和制造是這項實驗的一個關鍵技術，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，它可以在高強度的電子束和激光的環(huán)境下工作，而不受它們的影響。

通過對反向康普頓散射光子的測量，物理學家們得到了電子束的極化度的結果是0.865，也就是說電子束中有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。這個結果的精度達到了千分之三的水平，這是有史以來用康普頓散射測量電子束極化度的最高精度，超過了之前的世界紀錄，這個精度已經達到了未來的一些重大實驗的要求。

這項實驗是一個物理學的壯舉，它展示了用激光測量電子的自旋的強大能力，它為未來的物理學研究提供了一個可靠的工具。但是我們還有很多工作要做：我們還可以對數據進行更深入的分析，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性；我們還可以對實驗設備進行更多的測試和改進，比如提高激光的功率和穩(wěn)定性，優(yōu)化光學腔的調節(jié)和反饋，提高光子探測器的分辨率和效率，以及增加數據采集系統的速度和容量等。