Fyysikot mittaavat elektronin sähköisen dipolimomentin ennennäkemättömällä tarkkuudella – Physics World

Fyysikot mittaavat elektronin sähköisen dipolimomentin ennennäkemättömällä tarkkuudella – Physics World

Aikaleima: 22. elokuuta 2023 8

Kuva tyhjiökammiosta ja muista eEDM:n mittaamiseen käytetyistä kokeellisista laitteista
Precession seuranta: Tutkijat mittasivat elektronien sähköisen dipolimomentin hafniumfluoridi-ioneissa, jotka oli suljettu ioniloukussa. (Luovuttava: Casey Cass / Coloradon yliopisto)

Fyysikot Coloradon yliopistossa Boulderissa Yhdysvalloissa ovat määrittäneet elektronin varausjakauman muodon ennennäkemättömällä tarkkuudella. Johdolla Eric Cornell ja Kesäkuu Ye, tiimi havaitsi, että tämän varausjakauman epätasapainon – elektronin sähköisen dipolimomentin eli eEDM:n – on oltava pienempi kuin 4.1 x 10-30 e cm, epävarmuudella 2.1×10-30 e cm. Tämä tarkkuus vastaa Maan koon mittaamista viruksen mittojen sisällä, ja tuloksella on tärkeä merkitys uusien hiukkasten etsimisessä vakiomallin ulkopuolella.

Yksi tapa etsiä uusia hiukkasia on tehdä se suoraan murskaamalla tunnetut hiukkaset yhteen suurissa hiukkaskiihdyttimissä, kuten Large Hadron Collider (LHC) jatkuvasti kasvavilla energioilla. Vaihtoehtona on tehdä se epäsuorasti etsimällä merkkejä uusista hiukkasista elektronin varausjakaumassa. Tämä on menetelmä, jota CU-Boulder-tiimi käytti, ja se mahdollistaa haun suorittamisen laboratorion pöydällä.

Universumin symmetria, peilattu elektroniin

Elektronilla on sen spinin vuoksi magneettinen momentti, ja sitä voidaan ajatella pyörivänä varauksena, joka synnyttää magneettisen dipolin. Sitä vastoin sähköinen dipolimomentti (EDM) voi tapahtua vain, jos elektronin varausjakauma vääristyy hieman. Tällaisen vääristymän olemassaolo merkitsisi sitä, että elektroni ei enää tottele ajan käänteistä symmetriaa, joka on perusvaatimus, että fysiikka on sama, virtaapa aika eteenpäin tai taaksepäin.

Ymmärtääksesi miksi tätä symmetriaa rikotaan, mieti, mitä tapahtuisi, jos aika käännetään. Tällöin elektroni pyörisi vastakkaiseen suuntaan ja sen magneettisen momentin suunta kääntyisi. eEDM on kuitenkin seurausta pysyvästä latauksen vääristymisestä, joten se pysyisi ennallaan. Tämä on ongelma, koska jos aloitamme molemmilla momenteilla rinnakkain, ajan kääntyminen johtaa siihen, että ne ovat vastasuuntaisia, mikä rikkoo aikasymmetriaa.

Standardimalli – nykyinen paras kehys maailmankaikkeuden muodostaville voimille ja hiukkasille – sallii vain hyvin pienen määrän aikasymmetriarikkomuksia, joten se ennustaa, että elektronin sähköinen dipolimomentti ei voi olla suurempi kuin ~10-36 e cm. Tämä on aivan liian pieni ollakseen kokeellisesti testattavissa jopa nykyaikaisilla laitteilla.

Standardimallin laajennukset, kuten supersymmetria, ennustavat kuitenkin monien uusien hiukkasten olemassaolon energioissa, jotka ovat korkeammalla kuin mikään tähän mennessä löydetty. Nämä uudet hiukkaset olisivat vuorovaikutuksessa elektronin kanssa antaen sille paljon suuremman eEDM:n. Nollasta poikkeavan eEDM:n etsiminen on siksi uuden fysiikan etsimistä vakiomallin ulkopuolelta ja uusien hiukkasten "merkkiaineen" metsästystä.

Molekyyli-ionit auttavat eEDM:n mittaamisessa

Mittaakseen eEDM:n CU-Boulderin tutkijat havaitsevat, kuinka elektroni huojuu ulkoisessa magneetti- ja sähkökentässä. Tämä huojunta tai precessio on samanlainen kuin gyroskoopin pyöriminen gravitaatiokentässä. Kun elektroni asetetaan magneettikentän sisään, se kulkee tietyllä taajuudella magneettisen momenttinsa ansiosta. Jos elektronissa on myös EDM, sähkökentän käyttö muuttaa tätä precessionopeutta: jos elektroni on suunnattu yhteen suuntaan sähkökentän suhteen, precession taajuus nopeutuu; jos se "osoittaa" toiseen suuntaan, nopeus hidastuu.

"Pystymme määrittämään eEDM:n mittaamalla tämän huojunnan taajuuseroa, kerran elektronin ollessa suunnattuna yhteen suuntaan ja taas toiseen suuntaan", selittää. Trevor Wright, tohtoriopiskelija CU-Boulderissa ja artikkelin toinen kirjoittaja tiede hahmotella tuloksia.

Sen sijaan, että tutkisivat elektronia yksinään, tutkijat seuraavat hafniumfluoridimolekyyli-ionien (HfF+) sisällä olevan elektronin precessiotaajuutta. Näiden ionien sisäinen sähkökenttä tekee taajuuserosta paljon suuremman, ja sulkemalla ionit ansaan tutkijat pystyivät mittaamaan elektronin precession jopa kolmen sekunnin ajan, Trevor selittää. Tutkijoilla oli todellakin niin hyvä hallinta molekyyleistä, että he pystyivät mittaamaan precessiotaajuuden kymmenien vuosien tarkkuudella. µHz

620 tunnin tiedonkeruun jälkeen, jonka aikana tutkijat muuttivat useita kokeellisia parametreja tutkiakseen ja vähentääkseen systemaattisia virheitä, he laskivat elektroni-EDM:n ylärajan arvoon 4.1 × 10-30 e cm. Tämä on 37 kertaa pienempi kuin heidän oma edellinen mittaus ja 2.4 kertaa pienempi kuin edellinen paras raja.

Daavid vs. Goljat; eEDM vs LHC

Uusi raja on ristiriidassa joidenkin standardimallin laajennusten, kuten split-supersymmetrian (split SUSY) ja spin-10 grand unified teorian, eEDM:n ennusteiden kanssa, vaikka edellinen raja oli jo antanut heille peukalot alas. Kuten ryhmän jäsen Luke Caldwell, CU-Boulderin tutkijatohtori, selittää: "Yleensä ennustettu eEDM-mittakaava on käänteinen ehdotetun uuden fysiikan energia-asteikon kanssa ja siten eEDM-anturin fysiikan tarkempien mittausten kanssa korkeammalla ja korkeammalla energialla. vaa'at. Mittauksemme tarjoaa rajoitteita uudelle fysiikalle kymmenien TeV:iden energiaasteikoissa, jotka ovat kaukana LHC:n kaltaisten hiukkastörmäyslaitteiden ulottuvilta. Tämän vuoksi on epätodennäköistä, että näiden energioiden alapuolella on uusia hiukkasia.

Monet tutkijat, mukaan lukien Boulderin tiimi, pyrkivät alentamaan rajaa entisestään. "eEDM-kokeen seuraavan sukupolven molekyylissä käytetään erilaista molekyyliä, toriumfluoridia. Tämä molekyyli on luonnostaan ​​herkempi eEDM:lle", Caldwell sanoo ja lisää, että heidän pitäisi pystyä mittaamaan sen elektroniprecessio 10-20 sekunnin ajan. "Tämän uuden laitteen prototyyppi on jo käynnissä ja vangitsee ioneja ja tallentaa ensimmäiset elektroniprecessiot."

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma