يقيس الفيزيائيون عزم ثنائي القطب الكهربائي للإلكترون بدقة غير مسبوقة – عالم الفيزياء

تمكن علماء الفيزياء في جامعة كولورادو، بولدر، بالولايات المتحدة من تحديد شكل توزيع شحنة الإلكترون بدقة غير مسبوقة. بقيادة اريك كورنيل و جون يي، وجد الفريق أن أي اختلال في توزيع الشحنة - عزم ثنائي القطب الكهربائي للإلكترون، أو eEDM - يجب أن يكون أقل من 4.1 × 10^-30 e سم، مع عدم اليقين 2.1 × 10^-30 ه سم. وتعادل هذه الدقة قياس حجم الأرض ضمن أبعاد الفيروس، وللنتيجة آثار مهمة في البحث عن جسيمات جديدة خارج النموذج القياسي.

إحدى طرق البحث عن جسيمات جديدة هي القيام بذلك مباشرة، عن طريق تحطيم الجسيمات المعروفة معًا في مسرعات الجسيمات الكبيرة مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) بطاقة متزايدة باستمرار. والبديل هو القيام بذلك بشكل غير مباشر، من خلال البحث عن علامات تشير إلى وجود جسيمات جديدة في توزيع شحنة الإلكترون. هذه هي الطريقة التي استخدمها فريق CU-Boulder، وهي تسمح بإجراء البحث على سطح المختبر.

تناظر الكون، معكوسًا في الإلكترون

يمتلك الإلكترون عزمًا مغناطيسيًا بسبب دورانه، ويمكن اعتباره شحنة دوارة تولد ثنائي القطب المغناطيسي. في المقابل، لا يمكن أن تحدث لحظة ثنائي القطب الكهربائي (EDM) إلا إذا كان توزيع شحنة الإلكترون مشوهًا قليلاً. إن وجود مثل هذا التشوه يعني أن الإلكترون لم يعد يخضع للتناظر العكسي للزمن، وهو المطلب الأساسي الذي ينص على أن الفيزياء هي نفسها سواء كان الوقت يتدفق للأمام أو للخلف.

لفهم سبب انتهاك هذا التناظر، فكر في ما سيحدث إذا انعكس الزمن. ثم يدور الإلكترون في الاتجاه المعاكس وينقلب اتجاه عزمه المغناطيسي. ومع ذلك، فإن eEDM هو نتيجة لتشوه الشحن الدائم، لذلك سيبقى دون تغيير. هذه مشكلة، لأننا إذا بدأنا بكلتا اللحظتين متوازيتين، فإن انعكاس الزمن يؤدي إلى كونهما غير متوازيين، مما ينتهك التناظر الزمني.

النموذج القياسي - أفضل إطار حالي للقوى والجسيمات التي يتكون منها الكون - لا يسمح إلا بكمية صغيرة جدًا من انتهاك التناظر الزمني، لذا فهو يتنبأ بأن عزم ثنائي القطب الكهربائي للإلكترون لا يمكن أن يكون أكثر من ~10^-36 ه سم. وهذا صغير جدًا بحيث لا يمكن اختباره تجريبيًا حتى باستخدام أحدث المعدات الحالية.

ومع ذلك، فإن التوسعات في النموذج القياسي، مثل التناظر الفائق، تتنبأ بوجود العديد من الجسيمات الجديدة عند طاقات أعلى من أي جسيمات تم اكتشافها حتى الآن. سوف تتفاعل هذه الجسيمات الجديدة مع الإلكترون لمنحه eEDM أكبر بكثير. وبالتالي فإن البحث عن eEDM غير الصفري هو بحث عن فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي والبحث عن "علامة" للجسيمات الجديدة.

تساعد الأيونات الجزيئية في قياس eEDM

لقياس eEDM، اكتشف الباحثون في جامعة CU-Boulder كيفية تذبذب الإلكترون في مجال مغناطيسي وكهربائي خارجي. هذا التذبذب، أو المبادرة، يشبه دوران الجيروسكوب في مجال الجاذبية. عندما يتم وضع الإلكترون داخل مجال مغناطيسي، فإنه سيتحرك بتردد محدد بفضل عزمه المغناطيسي. إذا كان الإلكترون يحتوي أيضًا على EDM، فإن تطبيق مجال كهربائي سيغير معدل المبادرة: إذا تم توجيه الإلكترون في اتجاه واحد بالنسبة للمجال الكهربائي، فإن تردد المبادرة سوف يتسارع؛ أما إذا كان "يشير" في الاتجاه الآخر، فسوف يتباطأ السعر.

"نحن قادرون على تحديد eEDM عن طريق قياس فرق التردد لهذا التذبذب، مرة عندما يكون الإلكترون موجهًا في اتجاه واحد ومرة ​​أخرى معه في الاتجاه الآخر"، يوضح ذلك. تريفور رايت، طالب دكتوراه في جامعة CU-Boulder ومؤلف مشارك لورقة بحثية في علوم الخطوط العريضة للنتائج.

بدلًا من دراسة الإلكترون بمفرده، قام الباحثون بمراقبة تردد المبادرة للإلكترون داخل أيونات فلوريد الهافنيوم الجزيئية (HfF+). يوضح تريفور أن المجال الكهربائي الداخلي لهذه الأيونات يجعل فرق التردد أكبر بكثير، ومن خلال حصر الأيونات في فخ، تمكن الباحثون من قياس حركة الإلكترون لمدة تصل إلى ثلاث ثوانٍ. في الواقع، كان لدى الباحثين سيطرة جيدة على الجزيئات لدرجة أنهم تمكنوا من قياس تردد المبادرة بدقة عشرات من µهرتز.

بعد 620 ساعة من جمع البيانات، قام خلالها الباحثون بتغيير معلمات تجريبية متعددة للتحقيق في الأخطاء المنهجية والحد منها، قاموا بتخفيض الحد الأعلى للإلكترون EDM إلى 4.1×10^-30 ه سم. وهذا أصغر بمقدار 37 مرة من القياس السابق الخاص بهم وأصغر بمقدار 2.4 مرة من الحد الأفضل السابق.

ديفيد ضد جالوت؛ eEDM مقابل LHC

يتناقض الحد الجديد مع توقعات eEDM التي قدمتها بعض الامتدادات للنموذج القياسي مثل التناظر الفائق المنفصل (انقسام SUSY) ونظرية الدوران الموحد الكبرى 10، على الرغم من أن الحد السابق قد أعطاها بالفعل إبهامًا. وكما يوضح عضو الفريق لوك كالدويل، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة CU-Boulder: "عادةً ما يكون الحجم المتوقع لـ eEDM يقيس عكسيًا مع مقياس الطاقة للفيزياء الجديدة المقترحة وبالتالي قياسات أكثر دقة لفيزياء مسبار eEDM عند طاقة أعلى وأعلى. مقاييس. يوفر قياسنا قيودًا على الفيزياء الجديدة بمقاييس الطاقة التي تصل إلى عشرات التيرا إلكترون فولت، وهي أبعد بكثير من متناول مصادمات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير. وهذا يجعل من غير المحتمل وجود جسيمات جديدة تحت هذه الطاقات.

القياس (تقريبا) صفر

ويسعى العديد من الباحثين، بما في ذلك فريق بولدر، إلى خفض هذا الحد إلى أبعد من ذلك. "سيستخدم الجيل القادم من تجربة eEDM جزيئًا مختلفًا، وهو فلوريد الثوريوم. يقول كالدويل: "هذا الجزيء بطبيعته أكثر حساسية لـ eEDM"، مضيفًا أنهم يجب أن يكونوا قادرين على قياس مبادرته الإلكترونية لمدة 10 إلى 20 ثانية. "لقد تم بالفعل إنشاء نموذج أولي لهذا الجهاز الجديد وهو يعمل، حيث يقوم بحبس الأيونات وتسجيل أول حركات الإلكترون."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• تشارت بريم. ارفع مستوى لعبة التداول الخاصة بك مع ChartPrime. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-electron-electric-dipole-moment-to-unprecedented-precision/