Físicos miden el momento dipolar eléctrico del electrón con una precisión sin precedentes

Físicos miden el momento dipolar eléctrico del electrón con una precisión sin precedentes

Marca de tiempo: 22 de agosto de 2023 8:00 a.m.

Foto de la cámara de vacío y otros aparatos experimentales utilizados para medir el eEDM.
Monitoreo de la precesión: los investigadores midieron el momento dipolar eléctrico del electrón en iones de fluoruro de hafnio confinados dentro de una trampa de iones. (Cortesía: Casey Cass/Universidad de Colorado)

Físicos de la Universidad de Colorado, Boulder, EE.UU., han determinado la forma de la distribución de carga del electrón con una precisión sin precedentes. Dirigido por eric cornell y jun ye, el equipo descubrió que cualquier desequilibrio en esta distribución de carga (el momento dipolar eléctrico del electrón, o eEDM) debe ser inferior a 4.1 x 10-30 e cm, con una incertidumbre de 2.1×10-30 mi cm. Esta precisión equivale a medir el tamaño de la Tierra dentro de las dimensiones de un virus, y el resultado tiene implicaciones importantes en la búsqueda de nuevas partículas más allá del Modelo Estándar.

Una forma de buscar nuevas partículas es hacerlo directamente, rompiendo partículas conocidas en grandes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) a energías cada vez mayores. La alternativa es hacerlo indirectamente, buscando signos reveladores de nuevas partículas en la distribución de carga del electrón. Este es el método que empleó el equipo de CU-Boulder y permite realizar la búsqueda en una mesa de laboratorio.

La simetría del universo, reflejada en un electrón.

El electrón tiene un momento magnético debido a su espín y puede considerarse como una carga giratoria que genera un dipolo magnético. Por el contrario, un momento dipolar eléctrico (EDM) sólo podría producirse si la distribución de carga del electrón se distorsiona ligeramente. La presencia de tal distorsión significaría que el electrón ya no obedece a la simetría de inversión del tiempo, que es el requisito fundamental para que la física sea la misma ya sea que el tiempo fluya hacia adelante o hacia atrás.

Para entender por qué se violaría esta simetría, considere lo que sucedería si el tiempo se invirtiera. Entonces, el electrón giraría en sentido opuesto y la dirección de su momento magnético cambiaría. El eEDM, sin embargo, es el resultado de una distorsión permanente de la carga, por lo que permanecería sin cambios. Esto es un problema, porque si comenzamos con ambos momentos paralelos, una inversión temporal los lleva a ser antiparalelos, violando la simetría temporal.

El modelo estándar, el mejor marco actual para las fuerzas y partículas que componen el universo, solo permite una cantidad muy pequeña de violación de la simetría temporal, por lo que predice que el momento dipolar eléctrico del electrón no puede ser superior a ~10.-36 mi cm. Esto es demasiado pequeño para poder comprobarlo experimentalmente incluso con los equipos más modernos.

Sin embargo, las extensiones del modelo estándar, como la supersimetría, predicen la existencia de muchas partículas nuevas con energías superiores a las descubiertas hasta ahora. Estas nuevas partículas interactuarían con el electrón para darle un eEDM mucho mayor. La búsqueda de un eEDM distinto de cero es, por tanto, una búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar y una búsqueda de un "marcador" de nuevas partículas.

Los iones moleculares ayudan a medir el eEDM

Para medir el eEDM, los investigadores de CU-Boulder detectan cómo un electrón se tambalea en un campo magnético y eléctrico externo. Esta oscilación o precesión es similar a la rotación de un giroscopio en un campo gravitacional. Cuando un electrón se coloca dentro de un campo magnético, precederá a una frecuencia específica gracias a su momento magnético. Si el electrón también tiene un EDM, la aplicación de un campo eléctrico cambiará esta velocidad de precesión: si el electrón está orientado en una dirección con respecto al campo eléctrico, la frecuencia de precesión se acelerará; si “apunta” en la otra dirección, el ritmo se desacelerará.

"Podemos determinar el eEDM midiendo la diferencia de frecuencia de esta oscilación, una vez con el electrón orientado en una dirección y otra vez con él en la otra", explica trevorwright, estudiante de doctorado en CU-Boulder y coautor de un artículo en Ciencia: describiendo los resultados.

En lugar de estudiar un electrón por sí solo, los investigadores monitorean la frecuencia de precesión de un electrón dentro de iones moleculares de fluoruro de hafnio (HfF+). El campo eléctrico interno de estos iones hace que la diferencia de frecuencia sea mucho mayor y, al confinar los iones en una trampa, los investigadores pudieron medir la precesión del electrón durante hasta tres segundos, explica Trevor. De hecho, los investigadores tenían un control tan bueno sobre las moléculas que pudieron medir la frecuencia de precesión con una precisión de decenas de µHz.

Después de 620 horas de recopilación de datos, durante las cuales los investigadores cambiaron múltiples parámetros experimentales para investigar y reducir los errores sistemáticos, redujeron el límite superior de la electroerosión electrónica a 4.1×10-30 mi cm. Esto es 37 veces menor que su propia medición anterior y 2.4 veces menor que el mejor límite anterior.

David contra Goliat; eEDM frente a LHC

El nuevo límite contradice las predicciones para el eEDM realizadas por algunas extensiones del modelo estándar, como la supersimetría dividida (Split SUSY) y la gran teoría unificada del spin-10, aunque el límite anterior ya les había dado el visto bueno. Como explica el miembro del equipo Luke Caldwell, investigador postdoctoral en CU-Boulder: “Por lo general, el tamaño previsto de la eEDM escala inversamente con la escala de energía de la nueva física propuesta y, por lo tanto, mediciones más precisas de la física de la sonda eEDM a energías cada vez más altas. escamas. Nuestra medición proporciona limitaciones a la nueva física a escalas de energía de decenas de TeV, mucho más allá del alcance de colisionadores de partículas como el LHC”. Esto hace que sea poco probable que existan nuevas partículas por debajo de estas energías.

Muchos investigadores, incluido el equipo de Boulder, están presionando para reducir aún más el límite. “La próxima generación del experimento eEDM utilizará una molécula diferente, el fluoruro de torio. Esta molécula es inherentemente más sensible al eEDM”, dice Caldwell, y agrega que deberían poder medir su precesión electrónica durante 10 a 20 segundos. "Un prototipo de este nuevo aparato ya está en funcionamiento, atrapando iones y registrando las primeras precesiones electrónicas".

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