Füüsikud mõõdavad elektronide elektrilist dipoolmomenti enneolematu täpsusega – füüsikamaailm

USA-s Boulderis asuva Colorado ülikooli füüsikud määrasid elektronide laengujaotuse kuju enneolematu täpsusega. Eesotsas Eric Cornell ja Juuni Ye, leidis meeskond, et selle laengujaotuse mis tahes tasakaalustamatus – elektroni elektriline dipoolmoment ehk eEDM – peab olema väiksem kui 4.1 x 10^-30 e cm, mõõtemääramatusega 2.1 × 10^-30 e cm. See täpsus on samaväärne Maa suuruse mõõtmisega viiruse mõõtmete piires ja tulemus mõjutab oluliselt uute osakeste otsimist väljaspool standardmudelit.

Üks viis uute osakeste otsimiseks on teha seda otse, purustades teadaolevad osakesed kokku suurtes osakeste kiirendites, nagu Large Hadron Collider (LHC), üha suureneva energiaga. Alternatiiv on teha seda kaudselt, otsides elektroni laengujaotusest uute osakeste märguandemärke. Seda meetodit kasutas CU-Boulderi meeskond ja see võimaldab otsingut läbi viia labori lauaplaadil.

Universumi sümmeetria, peegeldub elektronis

Elektronil on oma spinni tõttu magnetmoment ja seda võib pidada pöörlevaks laenguks, mis tekitab magnetdipooli. Seevastu elektriline dipoolmoment (EDM) võib tekkida ainult siis, kui elektroni laengujaotus on veidi moonutatud. Sellise moonutuse olemasolu tähendaks, et elektron ei allu enam aja-pöördumise sümmeetriale, mis on põhinõue, et füüsika on sama, olenemata sellest, kas aeg liigub edasi või tagasi.

Et mõista, miks seda sümmeetriat rikutakse, mõelge, mis juhtuks, kui aeg ümber pöörata. Seejärel pöörleks elektron vastupidises suunas ja tema magnetmomendi suund pöörduks. eEDM on aga püsiva laengumoonutuse tulemus, mistõttu see jääks muutumatuks. See on probleem, sest kui alustame mõlema momendiga paralleelselt, viib aja pööre selleni, et need on antiparalleelsed, rikkudes aja sümmeetriat.

Standardmudel – praegune parim raamistik universumi moodustavate jõudude ja osakeste jaoks – võimaldab ainult väga väikest ajasümmeetria rikkumist, seega ennustab see, et elektroni elektriline dipoolmoment ei saa olla suurem kui ~10^-36 e cm. See on liiga väike, et seda isegi praeguste tipptasemel seadmetega katsetada.

Kuid standardmudeli laiendused, nagu supersümmeetria, ennustavad paljude uute osakeste olemasolu energiaga, mis on suurem kui seni avastatud. Need uued osakesed interakteeruksid elektroniga, et anda sellele palju suurem eEDM. Nullist erineva eEDM-i otsimine on seega uue füüsika otsimine väljaspool standardmudelit ja jaht uute osakeste “markeri” järele.

Molekulaarsed ioonid aitavad mõõta eEDM-i

eEDM-i mõõtmiseks tuvastavad CU-Boulderi teadlased, kuidas elektron välises magnet- ja elektriväljas kõigub. See võnkumine ehk pretsessioon on sarnane güroskoopi pöörlemisele gravitatsiooniväljas. Kui elektron asetatakse magnetvälja, hakkab see tänu oma magnetmomendile teatud sagedusel pretsesseerima. Kui elektronil on ka EDM, muudab elektrivälja rakendamine seda pretsessioonikiirust: kui elektron on elektrivälja suhtes orienteeritud ühes suunas, siis pretsessiooni sagedus kiireneb; kui see "osutab" teises suunas, siis kiirus aeglustub.

"Me suudame määrata eEDM-i, mõõtes selle võnkumise sageduse erinevust, üks kord elektroniga ühes suunas ja uuesti teises suunas," selgitab. Trevor Wright, doktorant CU-Boulderis ja artikli kaasautor aastal teadus tulemuste väljatoomist.

Selle asemel, et uurida elektroni omaette, jälgivad teadlased hafniumfluoriidi molekulaarsete ioonide (HfF+) sees oleva elektroni pretsessioonisagedust. Nende ioonide sisemine elektriväli muudab sageduste erinevuse palju suuremaks ja ioonide lõksu piiramisega suutsid teadlased mõõta elektroni pretsessiooni kuni kolme sekundi jooksul, selgitab Trevor. Tõepoolest, teadlastel oli molekulide üle nii hea kontroll, et nad suutsid mõõta pretsessioonisagedust kümnete täpsusega. µHz

Pärast 620 tundi kestnud andmete kogumist, mille jooksul teadlased muutsid mitut katseparameetrit, et uurida ja vähendada süstemaatilisi vigu, vähendasid nad elektronide EDM-i ülempiiri 4.1 × 10-ni.^-30 e cm. See on 37 korda väiksem kui nende endi eelmine mõõtmine ja 2.4 korda väiksem kui eelmine parim piir.

Taavet vs Koljat; eEDM vs LHC

Uus limiit on vastuolus eEDM-i ennustustega, mille tegid mõned standardmudeli laiendused, nagu split supersymmetry (split SUSY) ja spin-10 grand unified teooria, kuigi eelmine limiit andis neile juba allapoole. Nagu selgitab meeskonnaliige Luke Caldwell, CU-Boulderi järeldoktor: "Tavaliselt on eEDM-i skaala prognoositav suurus pöördvõrdeline kavandatava uue füüsika energiaskaalaga ja seega eEDM-i sondi füüsika täpsemad mõõtmised kõrgemal ja kõrgemal energial. kaalud. Meie mõõtmised seavad piiranguid uuele füüsikale kümnete TeV energiaskaalal, mis on kaugel osakeste põrkajate, nagu LHC, käeulatusest. See muudab uute osakeste olemasolu nende energiate all ebatõenäoliseks.

Mõõtmine (peaaegu) null

Paljud teadlased, sealhulgas Boulderi meeskond, püüavad piiri veelgi alandada. "EEDM-i eksperimendi järgmine põlvkond kasutab teistsugust molekuli, tooriumfluoriidi. See molekul on oma olemuselt eEDM-i suhtes tundlikum, ”ütleb Caldwell ja lisab, et nad peaksid suutma mõõta selle elektronide pretsessiooni 10-20 sekundi jooksul. "Selle uue aparaadi prototüüp on juba valmis ja töötab, püüdes ioone kinni ja registreerides esimesi elektronide pretsessioone."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• ChartPrime. Tõsta oma kauplemismängu ChartPrime'iga kõrgemale. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-electron-electric-dipole-moment-to-unprecedented-precision/