Fisikawan mengukur momen dipol elektron listrik dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya – Dunia Fisika

Fisikawan mengukur momen dipol elektron listrik dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 22 Agustus 2023 8

Foto ruang vakum dan peralatan eksperimen lainnya yang digunakan untuk mengukur eEDM
Pemantauan presesi: Para peneliti mengukur momen dipol listrik elektron dalam ion hafnium fluorida yang terkurung dalam perangkap ion. (Sumber: Casey Cass/Universitas Colorado)

Fisikawan di Universitas Colorado, Boulder, AS telah menentukan bentuk distribusi muatan elektron dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dipimpin oleh Eric Cornell dan Juni Ye, tim menemukan bahwa setiap ketidakseimbangan dalam distribusi muatan ini – momen dipol listrik elektron, atau eEDM – harus kurang dari 4.1 x 10-30 e cm, dengan ketidakpastian 2.1×10-30 e cm. Ketepatan ini setara dengan mengukur ukuran bumi hingga seukuran virus, dan hasilnya memiliki implikasi penting dalam pencarian partikel baru di luar Model Standar.

Salah satu cara untuk mencari partikel baru adalah dengan melakukannya secara langsung, dengan menghancurkan partikel-partikel yang sudah dikenal bersama-sama dalam akselerator partikel besar seperti Large Hadron Collider (LHC) dengan energi yang semakin meningkat. Alternatifnya adalah melakukannya secara tidak langsung, dengan mencari tanda-tanda adanya partikel baru dalam distribusi muatan elektron. Ini adalah metode yang digunakan tim CU-Boulder, dan memungkinkan pencarian dilakukan di atas meja laboratorium.

Simetri alam semesta, tercermin dalam elektron

Elektron mempunyai momen magnetis karena putarannya, dan dapat dianggap sebagai muatan berputar yang menghasilkan dipol magnet. Sebaliknya, momen dipol listrik (EDM) hanya dapat terjadi jika distribusi muatan elektron sedikit terdistorsi. Adanya distorsi seperti itu berarti bahwa elektron tidak lagi mematuhi simetri pembalikan waktu, yang merupakan persyaratan mendasar bahwa fisika tetap sama baik waktu mengalir maju atau mundur.

Untuk memahami mengapa simetri ini dilanggar, pertimbangkan apa yang akan terjadi jika waktu dibalik. Elektron kemudian akan berputar berlawanan dan arah momen magnetnya akan berubah. Namun, eEDM adalah hasil dari distorsi muatan permanen, sehingga tidak akan berubah. Ini menjadi masalah, karena jika kita memulai dengan kedua momen sejajar, pembalikan waktu menyebabkan keduanya menjadi antiparalel, sehingga melanggar simetri waktu.

Model Standar – kerangka kerja terbaik saat ini untuk gaya dan partikel yang membentuk alam semesta – hanya memungkinkan terjadinya pelanggaran simetri waktu dalam jumlah yang sangat kecil, sehingga model ini memperkirakan bahwa momen dipol listrik elektron tidak boleh lebih dari ~10-36 e cm. Jumlah ini terlalu kecil untuk dapat diuji secara eksperimental bahkan dengan peralatan tercanggih saat ini.

Namun, perluasan Model Standar seperti supersimetri memprediksi keberadaan banyak partikel baru dengan energi lebih tinggi daripada yang ditemukan sejauh ini. Partikel-partikel baru ini akan berinteraksi dengan elektron untuk menghasilkan eEDM yang jauh lebih besar. Oleh karena itu, pencarian eEDM bukan nol adalah pencarian fisika baru di luar Model Standar dan pencarian “penanda” partikel baru.

Ion molekul membantu mengukur eEDM

Untuk mengukur eEDM, para peneliti CU-Boulder mendeteksi bagaimana elektron bergetar di medan magnet dan listrik eksternal. Goyangan atau presesi ini mirip dengan rotasi giroskop dalam medan gravitasi. Ketika sebuah elektron ditempatkan di dalam medan magnet, ia akan berpresisi pada frekuensi tertentu berkat momen magnetnya. Jika elektron juga mempunyai EDM, penerapan medan listrik akan mengubah laju presesi ini: jika elektron berorientasi pada satu arah terhadap medan listrik, frekuensi presesi akan semakin cepat; jika “menunjuk” ke arah lain, lajunya akan melambat.

“Kami dapat menentukan eEDM dengan mengukur perbedaan frekuensi goyangan ini, ketika elektron berorientasi pada satu arah dan sekali lagi pada arah yang lain,” jelasnya. Trevor Wright, seorang mahasiswa PhD di CU-Boulder dan salah satu penulis makalah di Ilmu menguraikan hasilnya.

Daripada mempelajari elektron sendiri, para peneliti memantau frekuensi presesi elektron di dalam ion molekul hafnium fluorida (HfF+). Medan listrik internal ion-ion ini membuat perbedaan frekuensi jauh lebih besar, dan dengan mengurung ion-ion dalam perangkap, para peneliti dapat mengukur presesi elektron hingga tiga detik, jelas Trevor. Memang benar, para peneliti memiliki kontrol yang baik terhadap molekul sehingga mereka mampu mengukur frekuensi presesi hingga ketelitian puluhan kali lipat. µHz

Setelah 620 jam pengumpulan data, di mana para peneliti mengubah beberapa parameter eksperimen untuk menyelidiki dan mengurangi kesalahan sistematis, mereka mengurangi batas atas EDM elektron menjadi 4.1×10-30 e cm. Ini 37 kali lebih kecil dari pengukuran sebelumnya dan 2.4 kali lebih kecil dari batas terbaik sebelumnya.

David vs. Goliat; eEDM vs LHC

Batasan baru ini bertentangan dengan prediksi eEDM yang dibuat oleh beberapa perluasan Model Standar seperti supersimetri terpisah (SUSY terpisah) dan teori terpadu besar spin-10, meskipun batasan sebelumnya telah memberi mereka jempol ke bawah. Seperti yang dijelaskan oleh anggota tim Luke Caldwell, peneliti pascadoktoral di CU-Boulder: “Biasanya ukuran prediksi eEDM berbanding terbalik dengan skala energi dari fisika baru yang diusulkan dan pengukuran fisika probe eEDM yang lebih tepat pada energi yang lebih tinggi dan lebih tinggi. timbangan. Pengukuran kami memberikan batasan pada fisika baru pada skala energi puluhan TeV, jauh di luar jangkauan penumbuk partikel seperti LHC.” Hal ini membuat partikel baru tidak mungkin ada di bawah energi tersebut.

Banyak peneliti, termasuk tim di Boulder, berupaya menurunkan batas tersebut lebih jauh lagi. “Eksperimen eEDM generasi berikutnya akan menggunakan molekul berbeda, thorium fluoride. Molekul ini secara inheren lebih sensitif terhadap eEDM,” kata Caldwell, seraya menambahkan bahwa mereka seharusnya mampu mengukur presesi elektronnya selama 10-20 detik. “Prototipe peralatan baru ini sudah beroperasi, menjebak ion dan mencatat presesi elektron pertama.”

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika