Fysikere måler det elektronelektriske dipolmoment til hidtil uset præcision - Physics World

Fysikere måler det elektronelektriske dipolmoment til hidtil uset præcision - Physics World

Tidsstempel: 22. august 2023 kl. 8

Foto af vakuumkammeret og andet eksperimentelt apparatur brugt til at måle eEDM
Overvågningspræcession: Forskerne målte det elektronelektriske dipolmoment i hafniumfluoridioner indespærret i en ionfælde. (Med høflighed: Casey Cass/University of Colorado)

Fysikere ved University of Colorado, Boulder, USA har bestemt formen af ​​elektronens ladningsfordeling med hidtil uset præcision. Ledet af Erik Cornell , Jun Ye, fandt holdet, at enhver ubalance i denne ladningsfordeling – elektronens elektriske dipolmoment eller eEDM – skal være mindre end 4.1 x 10-30 e cm, med en usikkerhed på 2.1×10-30 e cm. Denne præcision svarer til at måle Jordens størrelse inden for dimensionerne af en virus, og resultatet har vigtige implikationer i søgningen efter nye partikler ud over Standardmodellen.

En måde at lede efter nye partikler på er at gøre det direkte ved at smadre kendte partikler sammen i store partikelacceleratorer såsom Large Hadron Collider (LHC) ved stadigt stigende energier. Alternativet er at gøre det indirekte ved at lede efter afslørende tegn på nye partikler i elektronens ladningsfordeling. Dette er den metode, CU-Boulder-teamet brugte, og den gør det muligt at udføre søgningen på en laboratoriebordplade.

Universets symmetri, spejlet i en elektron

Elektronen har et magnetisk moment på grund af dets spin, og kan opfattes som en roterende ladning, der genererer en magnetisk dipol. I modsætning hertil kunne et elektrisk dipolmoment (EDM) kun opstå, hvis ladningsfordelingen af ​​elektronen er lidt forvrænget. Tilstedeværelsen af ​​en sådan forvrængning ville betyde, at elektronen ikke længere adlyder tids-vendingssymmetri, som er det grundlæggende krav om, at fysikken er den samme, uanset om tiden flyder fremad eller tilbage.

For at forstå, hvorfor denne symmetri ville blive overtrådt, skal du overveje, hvad der ville ske, hvis tiden vendte om. Elektronen ville derefter dreje den modsatte vej, og retningen af ​​dens magnetiske moment ville vende. eEDM er imidlertid et resultat af en permanent ladningsforvrængning, så den ville forblive uændret. Dette er et problem, for hvis vi starter med begge momenter parallelle, fører en tidsvending til, at de er antiparallelle, hvilket krænker tidssymmetrien.

Standardmodellen – den nuværende bedste ramme for de kræfter og partikler, der udgør universet – tillader kun en meget lille mængde tidssymmetriskrænkelse, så den forudsiger, at elektronens elektriske dipolmoment ikke kan være mere end ~10-36 e cm. Dette er alt for lille til at være eksperimentelt testbart selv med det nuværende avancerede udstyr.

Udvidelser til standardmodellen såsom supersymmetri forudsiger imidlertid eksistensen af ​​mange nye partikler ved energier højere end nogen opdaget hidtil. Disse nye partikler ville interagere med elektronen for at give den en meget større eEDM. At søge efter en ikke-nul eEDM er derfor en søgen efter ny fysik ud over Standardmodellen og en jagt på en "markør" af nye partikler.

Molekylære ioner hjælper med at måle eEDM

For at måle eEDM opdager CU-Boulder-forskerne, hvordan en elektron slingrer i et eksternt magnetisk og elektrisk felt. Denne slingre eller præcession ligner rotationen af ​​et gyroskop i et gravitationsfelt. Når en elektron er placeret inde i et magnetfelt, vil den præcessere ved en bestemt frekvens takket være dens magnetiske moment. Hvis elektronen også har en EDM, vil anvendelse af et elektrisk felt ændre denne præcessionshastighed: hvis elektronen er orienteret i én retning i forhold til det elektriske felt, vil præcessionsfrekvensen øges; hvis det "peger" i den anden retning, vil hastigheden sænkes.

"Vi er i stand til at bestemme eEDM ved at måle frekvensforskellen af ​​denne wobble, én gang med elektronen orienteret i den ene retning og igen med den i den anden," forklarer Trevor Wright, en ph.d.-studerende ved CU-Boulder og medforfatter til et papir i Videnskab skitsere resultaterne.

I stedet for at studere en elektron alene overvåger forskerne præcessionsfrekvensen af ​​en elektron inde i hafniumfluorid-molekylære ioner (HfF+). Disse ioners indre elektriske felt gør frekvensforskellen meget større, og ved at begrænse ionerne i en fælde kunne forskerne måle elektronens præcession i op til tre sekunder, forklarer Trevor. Forskerne havde nemlig så god kontrol over molekylerne, at de var i stand til at måle præcessionsfrekvensen med en præcision på XNUMX µHz

Efter 620 timers dataindsamling, hvor forskerne ændrede flere eksperimentelle parametre for at undersøge og reducere systematiske fejl, reducerede de den øvre grænse for elektron-EDM til 4.1×10-30 e cm. Dette er 37 gange mindre end deres egen tidligere måling og 2.4 gange mindre end den tidligere bedste grænse.

David vs. Goliat; eEDM vs LHC

Den nye grænse modsiger forudsigelser for eEDM lavet af nogle udvidelser til standardmodellen, såsom split supersymmetri (split SUSY) og spin-10 grand unified teori, selvom den tidligere grænse allerede havde givet dem en tommelfinger ned. Som teammedlem Luke Caldwell, en postdoc-forsker ved CU-Boulder, forklarer: "Typisk er den forudsagte størrelse af eEDM-skalaen omvendt med energiskalaen for den foreslåede nye fysik og dermed mere præcise målinger af eEDM-sondens fysik ved højere og højere energi vægte. Vores måling giver begrænsninger for ny fysik på energiskalaer ved titusindvis af TeV, langt uden for rækkevidde af partikelkollidere som LHC." Dette gør det usandsynligt, at der eksisterer nye partikler under disse energier.

Mange forskere, herunder holdet på Boulder, presser på for at sænke grænsen endnu mere. "Næste generation af eEDM-eksperimentet vil bruge et andet molekyle, thoriumfluorid. Dette molekyle er i sagens natur mere følsomt over for eEDM,« siger Caldwell og tilføjer, at de burde være i stand til at måle dets elektronpræcession i 10-20 sekunder. "En prototype af dette nye apparat er allerede oppe at køre, fanger ioner og registrerer de første elektronpræcessioner."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden