Οι φυσικοί μετρούν τη ροπή του ηλεκτρικού διπολικού ηλεκτρονίου με πρωτοφανή ακρίβεια – Physics World

Οι φυσικοί μετρούν τη ροπή του ηλεκτρικού διπολικού ηλεκτρονίου με πρωτοφανή ακρίβεια – Physics World

Χρονική σήμανση: 22 Αυγούστου 2023 8:00 π.μ.

Φωτογραφία του θαλάμου κενού και άλλης πειραματικής συσκευής που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του eEDM
Παρακολούθηση μετάπτωσης: Οι ερευνητές μέτρησαν την ηλεκτρική διπολική ροπή ηλεκτρονίων σε ιόντα φθοριούχου αφνίου που περιορίζονται σε μια παγίδα ιόντων. (Ευγενική προσφορά: Casey Cass/University of Colorado)

Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Μπόλντερ, στις ΗΠΑ προσδιόρισαν το σχήμα της κατανομής φορτίου του ηλεκτρονίου με πρωτοφανή ακρίβεια. Με επικεφαλής τον Έρικ Κορνέλ και Jun Ye, η ομάδα διαπίστωσε ότι οποιαδήποτε ανισορροπία σε αυτήν την κατανομή φορτίου –η ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου ή eEDM– πρέπει να είναι μικρότερη από 4.1 x 10-30 e cm, με αβεβαιότητα 2.1×10-30 e cm. Αυτή η ακρίβεια ισοδυναμεί με τη μέτρηση του μεγέθους της Γης εντός των διαστάσεων ενός ιού και το αποτέλεσμα έχει σημαντικές επιπτώσεις στην αναζήτηση νέων σωματιδίων πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Ένας τρόπος για να αναζητήσετε νέα σωματίδια είναι να το κάνετε απευθείας, συνθλίβοντας γνωστά σωματίδια μαζί σε μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) σε συνεχώς αυξανόμενες ενέργειες. Η εναλλακτική είναι να το κάνουμε έμμεσα, αναζητώντας ενδεικτικά σημάδια νέων σωματιδίων στην κατανομή φορτίου του ηλεκτρονίου. Αυτή είναι η μέθοδος που χρησιμοποίησε η ομάδα CU-Boulder και επιτρέπει τη διεξαγωγή της έρευνας σε μια επιφάνεια εργασίας εργαστηρίου.

Η συμμετρία του σύμπαντος, που καθρεφτίζεται σε ένα ηλεκτρόνιο

Το ηλεκτρόνιο έχει μαγνητική ροπή λόγω του σπιν του και μπορεί να θεωρηθεί ως ένα περιστρεφόμενο φορτίο που δημιουργεί ένα μαγνητικό δίπολο. Αντίθετα, μια ηλεκτρική διπολική ροπή (EDM) θα μπορούσε να συμβεί μόνο εάν η κατανομή φορτίου του ηλεκτρονίου παραμορφωθεί ελαφρά. Η παρουσία μιας τέτοιας παραμόρφωσης θα σήμαινε ότι το ηλεκτρόνιο δεν υπακούει πλέον στη συμμετρία αντιστροφής του χρόνου, η οποία είναι η θεμελιώδης απαίτηση ότι η φυσική είναι η ίδια είτε ο χρόνος ρέει προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω.

Για να καταλάβετε γιατί αυτή η συμμετρία θα παραβιαζόταν, σκεφτείτε τι θα συνέβαινε αν αντιστραφεί ο χρόνος. Στη συνέχεια, το ηλεκτρόνιο θα περιστρεφόταν αντίθετα και η κατεύθυνση της μαγνητικής του ροπής θα αναστραφεί. Το eEDM, ωστόσο, είναι αποτέλεσμα μόνιμης παραμόρφωσης φορτίου, επομένως θα παραμείνει αμετάβλητο. Αυτό είναι ένα πρόβλημα, γιατί αν ξεκινήσουμε με τις δύο στιγμές παράλληλες, μια χρονική αντιστροφή οδηγεί στο να είναι αντιπαράλληλες, παραβιάζοντας τη χρονική συμμετρία.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο - το τρέχον καλύτερο πλαίσιο για τις δυνάμεις και τα σωματίδια που συνθέτουν το σύμπαν - επιτρέπει μόνο μια πολύ μικρή παραβίαση της χρονικής συμμετρίας, επομένως προβλέπει ότι η ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από ~10-36 e cm. Αυτό είναι πολύ μικρό για να μπορεί να δοκιμαστεί πειραματικά ακόμη και με τον τρέχοντα εξοπλισμό τελευταίας τεχνολογίας.

Ωστόσο, επεκτάσεις στο Καθιερωμένο Μοντέλο, όπως η υπερσυμμετρία, προβλέπουν την ύπαρξη πολλών νέων σωματιδίων σε ενέργειες υψηλότερες από ό,τι έχει ανακαλυφθεί μέχρι τώρα. Αυτά τα νέα σωματίδια θα αλληλεπιδράσουν με το ηλεκτρόνιο για να του δώσουν ένα πολύ μεγαλύτερο eEDM. Η αναζήτηση για ένα μη μηδενικό eEDM είναι επομένως μια αναζήτηση νέας φυσικής πέρα ​​από το Καθιερωμένο μοντέλο και ένα κυνήγι για έναν «δείκτη» νέων σωματιδίων.

Τα μοριακά ιόντα βοηθούν στη μέτρηση του eEDM

Για να μετρήσουν το eEDM, οι ερευνητές του CU-Boulder ανιχνεύουν πώς ένα ηλεκτρόνιο ταλαντεύεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο. Αυτή η ταλάντευση, ή μετάπτωση, είναι παρόμοια με την περιστροφή ενός γυροσκόπιου σε ένα βαρυτικό πεδίο. Όταν ένα ηλεκτρόνιο τοποθετείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, θα προχωρά σε μια συγκεκριμένη συχνότητα χάρη στη μαγνητική του ροπή. Εάν το ηλεκτρόνιο έχει επίσης EDM, η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου θα αλλάξει αυτόν τον ρυθμό μετάπτωσης: εάν το ηλεκτρόνιο είναι προσανατολισμένο προς μία κατεύθυνση σε σχέση με το ηλεκτρικό πεδίο, η συχνότητα της μετάπτωσης θα επιταχυνθεί. εάν «δείχνει» προς την άλλη κατεύθυνση, ο ρυθμός θα μειωθεί.

«Είμαστε σε θέση να προσδιορίσουμε το eEDM μετρώντας τη διαφορά συχνότητας αυτής της ταλάντωσης, μια φορά με το ηλεκτρόνιο προσανατολισμένο προς τη μία κατεύθυνση και ξανά με αυτό στην άλλη», εξηγεί. Τρέβορ Ράιτ, διδάκτορας στο CU-Boulder και συν-συγγραφέας μιας εργασίας στο Επιστήμη περιγράφοντας τα αποτελέσματα.

Αντί να μελετήσουν ένα ηλεκτρόνιο από μόνο του, οι ερευνητές παρακολουθούν τη συχνότητα μετάπτωσης ενός ηλεκτρονίου μέσα στα μοριακά ιόντα φθοριούχου αφνίου (HfF+). Το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο αυτών των ιόντων κάνει τη διαφορά συχνότητας πολύ μεγαλύτερη και περιορίζοντας τα ιόντα σε μια παγίδα, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου για έως και τρία δευτερόλεπτα, εξηγεί ο Trevor. Πράγματι, οι ερευνητές είχαν τόσο καλό έλεγχο στα μόρια που ήταν σε θέση να μετρήσουν τη συχνότητα μετάπτωσης με ακρίβεια δεκάδων µΗζ.

Μετά από 620 ώρες συλλογής δεδομένων, κατά τη διάρκεια των οποίων οι ερευνητές άλλαξαν πολλαπλές πειραματικές παραμέτρους για να διερευνήσουν και να μειώσουν τα συστηματικά σφάλματα, μείωσαν το ανώτερο όριο στο EDM ηλεκτρονίων σε 4.1×10-30 e cm. Αυτό είναι 37 φορές μικρότερο από τη δική τους προηγούμενη μέτρηση και 2.4 φορές μικρότερο από το προηγούμενο καλύτερο όριο.

Δαβίδ εναντίον Γολιάθ. eEDM εναντίον LHC

Το νέο όριο έρχεται σε αντίθεση με τις προβλέψεις για το eEDM που έγιναν από ορισμένες επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, όπως η split supersymmetry (split SUSY) και η γενική ενοποιημένη θεωρία spin-10, αν και το προηγούμενο όριο τους είχε ήδη αρνηθεί. Όπως εξηγεί το μέλος της ομάδας Luke Caldwell, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο CU-Boulder: «Τυπικά το προβλεπόμενο μέγεθος του eEDM κλιμακώνεται αντιστρόφως με την κλίμακα ενέργειας της προτεινόμενης νέας φυσικής και έτσι πιο ακριβείς μετρήσεις της φυσικής ανιχνευτή eEDM σε υψηλότερη και υψηλότερη ενέργεια Ζυγός. Η μέτρησή μας παρέχει περιορισμούς στη νέα φυσική σε ενεργειακές κλίμακες σε δεκάδες TeV, πολύ πέρα ​​από την εμβέλεια των επιταχυντών σωματιδίων όπως ο LHC». Αυτό καθιστά απίθανο να υπάρχουν νέα σωματίδια κάτω από αυτές τις ενέργειες.

Πολλοί ερευνητές, συμπεριλαμβανομένης της ομάδας στο Boulder, πιέζουν να μειώσουν το όριο ακόμη περισσότερο. «Η επόμενη γενιά του πειράματος eEDM θα χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό μόριο, το φθοριούχο θόριο. Αυτό το μόριο είναι εγγενώς πιο ευαίσθητο στο eEDM», λέει ο Caldwell, προσθέτοντας ότι θα πρέπει να μπορούν να μετρήσουν τη μετάπτωση ηλεκτρονίων του για 10-20 δευτερόλεπτα. "Ένα πρωτότυπο αυτής της νέας συσκευής είναι ήδη σε λειτουργία, παγιδεύοντας ιόντα και καταγράφοντας τις πρώτες μεταπτώσεις ηλεκτρονίων."

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής