A fizikusok példátlan pontossággal mérik meg az elektron elektromos dipólusmomentumát – Fizika világa

A Colorado Egyetem (Boulder, USA) fizikusai példátlan pontossággal határozták meg az elektron töltéseloszlásának alakját. Által vezetett Eric Cornell és a Jun Ye, a csapat úgy találta, hogy ebben a töltéseloszlásban – az elektron elektromos dipólusmomentumának vagy eEDM-nek – kisebbnek kell lennie 4.1 x 10-nél.^-30 e cm, 2.1×10 bizonytalansággal^-30 e cm. Ez a pontosság egyenértékű a Föld méretének egy vírus méretein belüli mérésével, és az eredmény fontos következményekkel jár a szabványos modellen túlmutató új részecskék keresésében.

Az új részecskék keresésének egyik módja az, hogy ezt közvetlenül megteszik, az ismert részecskék nagy részecskegyorsítókban, például a Large Hadron Colliderben (LHC) összetörve, egyre növekvő energiával. Az alternatíva az, hogy ezt közvetetten, új részecskék árulkodó jeleit keresve az elektron töltéseloszlásában. Ezt a módszert alkalmazta a CU-Boulder csapata, és ez lehetővé teszi a keresést laboratóriumi asztallapon.

A világegyetem szimmetriája egy elektronban tükröződik

Az elektronnak a spinje miatt van mágneses momentuma, és úgy fogható fel, mint egy forgó töltés, amely mágneses dipólust generál. Ezzel szemben elektromos dipólusmomentum (EDM) csak akkor jöhet létre, ha az elektron töltéseloszlása ​​enyhén torzul. Egy ilyen torzítás jelenléte azt jelentené, hogy az elektron már nem engedelmeskedik az idő-visszafordítási szimmetriának, ami az alapvető követelmény, hogy a fizika egyforma legyen, akár előre, akár visszafelé folyik az idő.

Annak megértéséhez, hogy ez a szimmetria miért sérülne meg, gondolja át, mi történne, ha megfordulna az idő. Az elektron ekkor az ellenkező irányba forog, és mágneses momentuma iránya megfordul. Az eEDM azonban egy állandó töltéstorzulás eredménye, így változatlan maradna. Ez azért baj, mert ha mindkét momentumot párhuzamosan kezdjük, akkor az idő megfordítása ahhoz vezet, hogy ellentétesek, sértve az időszimmetriát.

A Standard Modell – az univerzumot alkotó erők és részecskék jelenlegi legjobb kerete – csak nagyon kismértékű időszimmetria-sértést tesz lehetővé, így azt jósolja, hogy az elektron elektromos dipólusmomentuma nem lehet több ~10-nél.^-36 e cm. Ez túl kicsi ahhoz, hogy még a jelenlegi legkorszerűbb berendezésekkel is kísérletileg tesztelhető legyen.

A standard modell kiterjesztései, például a szuperszimmetria azonban számos új részecske létezését jósolják, amelyek energiája magasabb, mint az eddig felfedezett. Ezek az új részecskék kölcsönhatásba lépnének az elektronnal, és sokkal nagyobb eEDM-t adnának. A nullától eltérő eEDM keresése tehát új fizika keresése a standard modellen túl, és új részecskék „jelölőjének” keresése.

A molekuláris ionok segítenek az eEDM mérésében

Az eEDM mérésére a CU-Boulder kutatói azt észlelik, hogy egy elektron miként rezeg egy külső mágneses és elektromos térben. Ez az ingadozás vagy precesszió hasonló a giroszkóp gravitációs mezőben való forgásához. Ha egy elektront mágneses térbe helyezünk, akkor a mágneses nyomatékának köszönhetően meghatározott frekvencián precessál. Ha az elektronnak EDM is van, elektromos tér alkalmazása megváltoztatja ezt a precessziós sebességet: ha az elektron az elektromos térhez képest egy irányba orientálódik, a precesszió frekvenciája felgyorsul; ha a másik irányba „mutat”, akkor a sebesség lelassul.

„Képesek vagyunk meghatározni az eEDM-et úgy, hogy megmérjük ennek a hullámzásnak a frekvenciakülönbségét, egyszer úgy, hogy az elektron az egyik irányba, majd a másik irányba orientálódik” – magyarázza. Trevor Wright, a CU-Boulder PhD hallgatója és egy tanulmány társszerzője Tudomány az eredmények felvázolása.

Ahelyett, hogy önmagában vizsgálnák az elektronokat, a kutatók a hafnium-fluorid molekulaionokban (HfF+) belüli elektron precessziós frekvenciáját figyelik. Ezen ionok belső elektromos tere jóval nagyobb frekvenciakülönbséget eredményez, és az ionok csapdába zárásával a kutatók akár három másodpercig is meg tudták mérni az elektron precesszióját – magyarázza Trevor. Valójában a kutatók olyan jól kontrollálták a molekulákat, hogy több tízes pontossággal meg tudták mérni a precessziós frekvenciát. µHz

620 órás adatgyűjtés után, amely során a kutatók több kísérleti paramétert megváltoztattak a szisztematikus hibák vizsgálata és csökkentése érdekében, az elektron-EDM felső határát 4.1 × 10-re csökkentették.^-30 e cm. Ez 37-szer kisebb, mint a saját korábbi mérésük, és 2.4-szer kisebb, mint a korábbi legjobb határérték.

Dávid kontra Góliát; eEDM vs LHC

Az új korlát ellentmond az eEDM-re vonatkozó előrejelzéseknek, amelyeket a Standard Modell egyes kiterjesztései, például a split szuperszimmetria (split SUSY) és a spin-10 grand united theory adtak, bár a korábbi korlát már lefelé mutató hüvelykujjokat adott nekik. Ahogy a csapat tagja, Luke Caldwell, a CU-Boulder posztdoktori kutatója elmagyarázza: „Az eEDM skálák előre jelzett mérete jellemzően fordítottan arányos a javasolt új fizika energiaskálájával, és így az eEDM szonda fizikájának pontosabb mérése egyre magasabb energián. Mérleg. Mérésünk korlátozza az új fizikát több tíz TeV energiaskálán, ami jóval túlmutat az olyan részecskeütköztetők számára, mint az LHC.” Ez valószínűtlenné teszi, hogy új részecskék létezzenek ezen energiák alatt.

(majdnem) nulla mérése

Sok kutató, köztük a Boulder csapata, arra törekszik, hogy még tovább csökkentse a határt. „Az eEDM kísérlet következő generációja egy másik molekulát, a tórium-fluoridot használ majd. Ez a molekula eredendően érzékenyebb az eEDM-re” – mondja Caldwell, hozzátéve, hogy 10-20 másodpercig képesnek kell lenniük az elektronprecesszió mérésére. "Ennek az új készüléknek a prototípusa már üzemel és működik, befogja az ionokat és rögzíti az első elektronprecessziókat."

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• ChartPrime. Emelje fel kereskedési játékát a ChartPrime segítségével. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-electron-electric-dipole-moment-to-unprecedented-precision/