فیزیکدانان گشتاور دوقطبی الکتریکی الکترون را با دقت بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری می‌کنند - دنیای فیزیک

فیزیکدانان دانشگاه کلرادو، بولدر، ایالات متحده شکل توزیع بار الکترون را با دقت بی سابقه ای تعیین کرده اند. به رهبری اریک کورنل و جون یه، تیم دریافت که هرگونه عدم تعادل در این توزیع بار - گشتاور دوقطبی الکتریکی الکترون یا eEDM - باید کمتر از 4.1 x 10 باشد.^-30 e cm، با عدم قطعیت 2.1×10^-30 سانتی متر این دقت معادل اندازه‌گیری اندازه زمین در ابعاد یک ویروس است و نتیجه آن پیامدهای مهمی در جستجوی ذرات جدید فراتر از مدل استاندارد دارد.

یکی از راه‌های جستجوی ذرات جدید این است که مستقیماً این کار را انجام دهیم، از طریق خرد کردن ذرات شناخته شده با هم در شتاب‌دهنده‌های ذرات بزرگ مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) با انرژی‌های روزافزون. جایگزین این است که این کار را به طور غیرمستقیم انجام دهیم، با جستجوی نشانه های گویای ذرات جدید در توزیع بار الکترون. این روشی است که تیم CU-Boulder از آن استفاده کرده است و امکان انجام جستجو را بر روی میز آزمایشگاهی فراهم می کند.

تقارن جهان، در یک الکترون منعکس شده است

الکترون به دلیل اسپینش دارای گشتاور مغناطیسی است و می توان آن را به عنوان یک بار دوار در نظر گرفت که دوقطبی مغناطیسی ایجاد می کند. در مقابل، گشتاور دوقطبی الکتریکی (EDM) تنها در صورتی می‌تواند اتفاق بیفتد که توزیع بار الکترون کمی تحریف شود. وجود چنین اعوجاجی به این معنی است که الکترون دیگر از تقارن معکوس زمانی پیروی نمی کند، که این شرط اساسی است که فیزیک چه در جریان زمان به جلو یا عقب باشد، یکسان است.

برای درک اینکه چرا این تقارن نقض می شود، در نظر بگیرید که اگر زمان معکوس شود چه اتفاقی می افتد. سپس الکترون برعکس می چرخد ​​و جهت گشتاور مغناطیسی آن تغییر می کند. با این حال، eEDM نتیجه یک اعوجاج شارژ دائمی است، بنابراین بدون تغییر باقی می‌ماند. این یک مشکل است، زیرا اگر هر دو لحظه را موازی شروع کنیم، یک معکوس زمانی منجر به ضد موازی آنها می شود و تقارن زمانی را نقض می کند.

مدل استاندارد - بهترین چارچوب فعلی برای نیروها و ذرات تشکیل دهنده جهان - فقط اجازه می دهد تا مقدار بسیار کمی از نقض تقارن زمانی وجود داشته باشد، بنابراین پیش بینی می کند که گشتاور دوقطبی الکتریکی الکترون نمی تواند بیش از 10 باشد.^-36 سانتی متر این بسیار کوچکتر از آن است که به صورت آزمایشی حتی با تجهیزات پیشرفته فعلی قابل آزمایش باشد.

با این حال، توسعه‌های مدل استاندارد مانند ابرتقارن وجود بسیاری از ذرات جدید را در انرژی‌هایی بالاتر از هر ذرات کشف‌شده‌ای پیش‌بینی می‌کنند. این ذرات جدید با الکترون برهمکنش می‌کنند و eEDM بسیار بزرگ‌تری به آن می‌دهند. بنابراین جستجو برای یک eEDM غیر صفر، جستجوی فیزیک جدید فراتر از مدل استاندارد و شکار "نشانگر" ذرات جدید است.

یون های مولکولی به اندازه گیری eEDM کمک می کنند

برای اندازه‌گیری eEDM، محققان CU-Boulder تشخیص می‌دهند که چگونه یک الکترون در یک میدان مغناطیسی و الکتریکی خارجی تکان می‌خورد. این لرزش یا تقدیم شبیه به چرخش ژیروسکوپ در میدان گرانشی است. هنگامی که یک الکترون در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، به لطف گشتاور مغناطیسی خود، در فرکانس خاصی پیشروی می کند. اگر الکترون دارای یک EDM نیز باشد، اعمال میدان الکتریکی این نرخ سبقت را تغییر می‌دهد: اگر الکترون در یک جهت نسبت به میدان الکتریکی جهت‌گیری شود، فرکانس سبقت افزایش می‌یابد. اگر در جهت دیگر "اشاره" باشد، سرعت کاهش می یابد.

توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم eEDM را با اندازه‌گیری اختلاف فرکانس این لرزش، یک بار با جهت گیری الکترون در یک جهت و بار دیگر با آن در جهت دیگر، تعیین کنیم.» ترور رایت، دانشجوی دکترا در CU-Boulder و یکی از نویسندگان مقاله در علم تشریح نتایج

محققان به جای مطالعه یک الکترون به تنهایی، فرکانس گذر یک الکترون را در داخل یون‌های مولکولی فلوراید هافنیوم (HfF+) بررسی می‌کنند. ترور توضیح می‌دهد که میدان الکتریکی داخلی این یون‌ها، اختلاف فرکانس را بسیار بزرگ‌تر می‌کند و با محصور کردن یون‌ها در یک تله، محققان توانستند سبقت الکترون را تا سه ثانیه اندازه‌گیری کنند. در واقع، محققان چنان کنترل خوبی بر مولکول ها داشتند که توانستند فرکانس تقدم را با دقت ده ها اندازه گیری کنند. µهرتز

پس از 620 ساعت جمع‌آوری داده‌ها، که طی آن محققان چندین پارامتر تجربی را برای بررسی و کاهش خطاهای سیستماتیک تغییر دادند، حد بالایی در EDM الکترون را به 4.1×10 کاهش دادند.^-30 سانتی متر این 37 برابر کوچکتر از اندازه گیری قبلی خودشان و 2.4 برابر کوچکتر از بهترین حد قبلی است.

داوود در مقابل جالوت; eEDM در مقابل LHC

حد جدید با پیش‌بینی‌هایی برای eEDM که توسط برخی از برنامه‌های افزودنی مدل استاندارد مانند ابرتقارن تقسیم (SUSY تقسیم شده) و نظریه یکپارچه بزرگ اسپین-10 انجام شده بود، در تضاد است، اگرچه حد قبلی قبلاً به آن‌ها اشاره کرده بود. همانطور که یکی از اعضای تیم، لوک کالدول، محقق فوق دکتری در CU-Boulder، توضیح می دهد: "معمولاً اندازه پیش بینی شده مقیاس های eEDM با مقیاس انرژی فیزیک جدید پیشنهادی معکوس است و بنابراین اندازه گیری های دقیق تر فیزیک کاوشگر eEDM در انرژی بالاتر و بالاتر. ترازو اندازه‌گیری ما محدودیت‌هایی را برای فیزیک جدید در مقیاس انرژی در ده‌ها TeV فراهم می‌کند، که بسیار فراتر از دسترس برخوردکننده‌های ذرات مانند LHC است. این امر احتمال وجود ذرات جدید زیر این انرژی ها را بعید می سازد.

اندازه گیری (تقریبا) صفر

بسیاری از محققان، از جمله تیم بولدر، در تلاش هستند تا این حد را حتی بیشتر کاهش دهند. نسل بعدی آزمایش eEDM از یک مولکول متفاوت، توریم فلوراید استفاده خواهد کرد. کالدول می‌گوید که این مولکول ذاتاً به eEDM حساس‌تر است و می‌افزاید که آن‌ها باید بتوانند سبقت الکترون آن را برای ۱۰ تا ۲۰ ثانیه اندازه‌گیری کنند. یک نمونه اولیه از این دستگاه جدید در حال حاضر راه اندازی شده است و یون ها را به دام می اندازد و اولین رگبار الکترون ها را ثبت می کند.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• ChartPrime. بازی معاملاتی خود را با ChartPrime ارتقا دهید. دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-electron-electric-dipole-moment-to-unprecedented-precision/