Physiker messen das elektrische Dipolmoment des Elektrons mit beispielloser Präzision – Physics World

Physiker der University of Colorado, Boulder, USA, haben die Form der Ladungsverteilung des Elektrons mit beispielloser Präzision bestimmt. Angeführt von Eric Cornel und Jun YeDas Team stellte fest, dass jedes Ungleichgewicht in dieser Ladungsverteilung – dem elektrischen Dipolmoment des Elektrons oder eEDM – weniger als 4.1 x 10 betragen muss^-30 e cm, mit einer Unsicherheit von 2.1×10^-30 e cm. Diese Präzision entspricht der Messung der Größe der Erde auf die Größe eines Virus, und das Ergebnis hat wichtige Auswirkungen auf die Suche nach neuen Partikeln jenseits des Standardmodells.

Eine Möglichkeit, nach neuen Teilchen zu suchen, besteht darin, dies direkt zu tun, indem bekannte Teilchen in großen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) bei immer höheren Energien zusammengeschlagen werden. Die Alternative besteht darin, dies indirekt zu tun, indem man in der Ladungsverteilung des Elektrons nach verräterischen Anzeichen neuer Teilchen sucht. Dies ist die Methode, die das CU-Boulder-Team verwendet hat und die es ermöglicht, die Suche auf einem Labortisch durchzuführen.

Die Symmetrie des Universums, gespiegelt in einem Elektron

Das Elektron hat aufgrund seines Spins ein magnetisches Moment und kann als rotierende Ladung betrachtet werden, die einen magnetischen Dipol erzeugt. Im Gegensatz dazu könnte ein elektrisches Dipolmoment (EDM) nur auftreten, wenn die Ladungsverteilung des Elektrons leicht verzerrt ist. Das Vorhandensein einer solchen Verzerrung würde bedeuten, dass das Elektron nicht mehr der Zeitumkehrsymmetrie gehorcht, die die Grundvoraussetzung dafür ist, dass die Physik unabhängig davon ist, ob die Zeit vorwärts oder rückwärts fließt.

Um zu verstehen, warum diese Symmetrie verletzt würde, überlegen Sie, was passieren würde, wenn sich die Zeit umkehren würde. Das Elektron würde sich dann in die entgegengesetzte Richtung drehen und die Richtung seines magnetischen Moments würde umkehren. Das eEDM ist jedoch das Ergebnis einer permanenten Ladungsverzerrung und würde daher unverändert bleiben. Das ist ein Problem, denn wenn wir mit parallelen beiden Momenten beginnen, führt eine Zeitumkehr dazu, dass sie antiparallel sind und die Zeitsymmetrie verletzen.

Das Standardmodell – der derzeit beste Rahmen für die Kräfte und Teilchen, aus denen das Universum besteht – lässt nur eine sehr geringe Verletzung der Zeitsymmetrie zu und sagt daher voraus, dass das elektrische Dipolmoment des Elektrons nicht mehr als ~10 betragen kann^-36 e cm. Dies ist viel zu klein, um selbst mit modernster Ausrüstung experimentell getestet zu werden.

Erweiterungen des Standardmodells wie die Supersymmetrie sagen jedoch die Existenz vieler neuer Teilchen bei höheren Energien voraus als alle bisher entdeckten. Diese neuen Teilchen würden mit dem Elektron interagieren und ihm ein viel größeres eEDM verleihen. Die Suche nach einem eEDM ungleich Null ist daher eine Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells und eine Jagd nach einem „Marker“ für neue Teilchen.

Molekülionen helfen bei der Messung des eEDM

Um das eEDM zu messen, erfassen die CU-Boulder-Forscher, wie ein Elektron in einem externen magnetischen und elektrischen Feld wackelt. Dieses Wackeln oder Präzession ähnelt der Drehung eines Gyroskops in einem Gravitationsfeld. Wenn ein Elektron in ein Magnetfeld gebracht wird, präzediert es dank seines magnetischen Moments mit einer bestimmten Frequenz. Wenn das Elektron auch über ein EDM verfügt, ändert das Anlegen eines elektrischen Feldes diese Präzessionsgeschwindigkeit: Wenn das Elektron in Bezug auf das elektrische Feld in eine Richtung ausgerichtet ist, beschleunigt sich die Präzessionsfrequenz; wenn es in die andere Richtung „zeigt“, verlangsamt sich die Geschwindigkeit.

„Wir sind in der Lage, den eEDM zu bestimmen, indem wir den Frequenzunterschied dieses Wackelns messen, einmal mit dem Elektron in die eine Richtung und dann noch einmal mit dem Elektron in die andere“, erklärt Trevor Wright, ein Doktorand an der CU-Boulder und Co-Autor einer Arbeit in Wissenschaft die Ergebnisse darlegen.

Anstatt ein Elektron allein zu untersuchen, überwachen die Forscher die Präzessionsfrequenz eines Elektrons innerhalb von Hafniumfluorid-Molekülionen (HfF+). Das interne elektrische Feld dieser Ionen macht den Frequenzunterschied viel größer, und indem die Ionen in einer Falle eingeschlossen wurden, konnten die Forscher die Präzession des Elektrons bis zu drei Sekunden lang messen, erklärt Trevor. Tatsächlich hatten die Forscher eine so gute Kontrolle über die Moleküle, dass sie die Präzessionsfrequenz mit einer Genauigkeit von mehreren zehnfachen messen konnten µHz.

Nach 620 Stunden Datenerfassung, in denen die Forscher mehrere experimentelle Parameter änderten, um systematische Fehler zu untersuchen und zu reduzieren, reduzierten sie die Obergrenze des Elektronen-EDM auf 4.1×10^-30 e cm. Dies ist 37-mal kleiner als die eigene vorherige Messung und 2.4-mal kleiner als die bisherige Bestgrenze.

David gegen Goliath; eEDM vs. LHC

Der neue Grenzwert widerspricht den Vorhersagen für das eEDM, die von einigen Erweiterungen des Standardmodells wie der Split-Supersymmetrie (Split-SUSY) und der Spin-10-Grand-Unified-Theorie gemacht wurden, obwohl ihnen der vorherige Grenzwert bereits einen Daumen nach unten gegeben hatte. Teammitglied Luke Caldwell, ein Postdoktorand an der CU-Boulder, erklärt: „Typischerweise skaliert die vorhergesagte Größe des eEDM umgekehrt mit der Energieskala der vorgeschlagenen neuen Physik und ermöglicht so präzisere Messungen der eEDM-Sondenphysik bei immer höheren Energien.“ Waage. Unsere Messung liefert Einschränkungen für neue Physik auf Energieskalen im Bereich von mehreren zehn TeV, die weit außerhalb der Reichweite von Teilchenbeschleunigern wie dem LHC liegen.“ Daher ist es unwahrscheinlich, dass unterhalb dieser Energien neue Teilchen existieren.

Messung (fast) Null

Viele Forscher, darunter auch das Team in Boulder, drängen darauf, den Grenzwert noch weiter zu senken. „Die nächste Generation des eEDM-Experiments wird ein anderes Molekül verwenden, Thoriumfluorid. Dieses Molekül reagiert von Natur aus empfindlicher auf das eEDM“, sagt Caldwell und fügt hinzu, dass sie in der Lage sein sollten, seine Elektronenpräzession für 10 bis 20 Sekunden zu messen. „Ein Prototyp dieser neuen Vorrichtung ist bereits in Betrieb, fängt Ionen ein und zeichnet die ersten Elektronenpräzessionen auf.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-electron-electric-dipole-moment-to-unprecedented-precision/