I fisici misurano il momento di dipolo elettrico dell’elettrone con una precisione senza precedenti – Physics World

I fisici misurano il momento di dipolo elettrico dell’elettrone con una precisione senza precedenti – Physics World

Timestamp: 22 agosto 2023 8:00

Foto della camera a vuoto e di altri apparecchi sperimentali utilizzati per misurare l'eEDM
Monitoraggio della precessione: i ricercatori hanno misurato il momento di dipolo elettrico degli elettroni negli ioni di fluoruro di afnio confinati all'interno di una trappola ionica. (Per gentile concessione: Casey Cass/Università del Colorado)

I fisici dell'Università del Colorado, Boulder, negli Stati Uniti, hanno determinato la forma della distribuzione della carica dell'elettrone con una precisione senza precedenti. Guidato da Eric Cornell ed Jun Ye, il team ha scoperto che qualsiasi squilibrio in questa distribuzione di carica – il momento di dipolo elettrico dell'elettrone, o eEDM – deve essere inferiore a 4.1 x 10 all'30 ottobre e cm, con un'incertezza di 2.1×10 all'30 ottobre ecm. Questa precisione equivale a misurare le dimensioni della Terra entro le dimensioni di un virus, e il risultato ha importanti implicazioni nella ricerca di nuove particelle oltre il Modello Standard.

Un modo per cercare nuove particelle è farlo direttamente, facendo scontrare insieme particelle conosciute in grandi acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) a energie sempre crescenti. L’alternativa è farlo indirettamente, cercando segni rivelatori di nuove particelle nella distribuzione della carica dell’elettrone. Questo è il metodo utilizzato dal team CU-Boulder e consente di effettuare la ricerca su un tavolo di laboratorio.

La simmetria dell'universo, rispecchiata in un elettrone

L'elettrone ha un momento magnetico dovuto alla sua rotazione e può essere pensato come una carica rotante che genera un dipolo magnetico. Al contrario, un momento di dipolo elettrico (EDM) potrebbe verificarsi solo se la distribuzione della carica dell’elettrone è leggermente distorta. La presenza di una tale distorsione significherebbe che l’elettrone non obbedisce più alla simmetria di inversione del tempo, che è il requisito fondamentale affinché la fisica sia la stessa sia che il tempo scorra in avanti o all’indietro.

Per capire perché questa simmetria verrebbe violata, consideriamo cosa accadrebbe se il tempo si invertisse. L'elettrone ruoterebbe quindi nella direzione opposta e la direzione del suo momento magnetico si invertirebbe. L’eEDM, tuttavia, è il risultato di una distorsione permanente della carica, quindi rimarrebbe invariato. Questo è un problema, perché se iniziamo con entrambi i momenti paralleli, un’inversione temporale li porterà ad essere antiparalleli, violando la simmetria temporale.

Il Modello Standard – il miglior quadro attuale per le forze e le particelle che compongono l’universo – consente solo una piccola quantità di violazione della simmetria temporale, quindi prevede che il momento di dipolo elettrico dell’elettrone non possa essere superiore a ~10 all'36 ottobre e cm. Questo è troppo piccolo per essere testabile sperimentalmente anche con le attuali apparecchiature all'avanguardia.

Tuttavia, le estensioni al Modello Standard come la supersimmetria prevedono l’esistenza di molte nuove particelle a energie più elevate di quelle scoperte finora. Queste nuove particelle interagirebbero con l’elettrone per conferirgli un eEDM molto più grande. La ricerca di un eEDM diverso da zero è quindi una ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard e una caccia a un “marcatore” di nuove particelle.

Gli ioni molecolari aiutano a misurare l'eEDM

Per misurare l'eEDM, i ricercatori della CU-Boulder rilevano come un elettrone oscilla in un campo magnetico ed elettrico esterno. Questa oscillazione, o precessione, è simile alla rotazione di un giroscopio in un campo gravitazionale. Quando un elettrone è posto all'interno di un campo magnetico, precesserà ad una frequenza specifica grazie al suo momento magnetico. Se l'elettrone ha anche un EDM, l'applicazione di un campo elettrico modificherà questa velocità di precessione: se l'elettrone è orientato in una direzione rispetto al campo elettrico, la frequenza di precessione aumenterà; se “punta” nella direzione opposta, il tasso rallenterà.

“Siamo in grado di determinare l’eEDM misurando la differenza di frequenza di questa oscillazione, una volta con l’elettrone orientato in una direzione e di nuovo con esso nell’altra”, spiega Trevor Wright, studente di dottorato presso CU-Boulder e coautore di un articolo in Scienze delineando i risultati.

Invece di studiare un elettrone da solo, i ricercatori monitorano la frequenza di precessione di un elettrone all’interno degli ioni molecolari di fluoruro di afnio (HfF+). Il campo elettrico interno di questi ioni rende la differenza di frequenza molto più grande e, confinando gli ioni in una trappola, i ricercatori sono stati in grado di misurare la precessione dell'elettrone per un massimo di tre secondi, spiega Trevor. In effetti, i ricercatori avevano un controllo così buono sulle molecole che furono in grado di misurare la frequenza di precessione con una precisione di decine di µHz

Dopo 620 ore di raccolta dati, durante le quali i ricercatori hanno modificato numerosi parametri sperimentali per indagare e ridurre gli errori sistematici, hanno ridotto il limite superiore dell’EDM elettronico a 4.1×10 all'30 ottobre e cm. Questo è 37 volte più piccolo della loro misurazione precedente e 2.4 volte più piccolo del limite migliore precedente.

Davide contro Golia; eEDM contro LHC

Il nuovo limite contraddice le previsioni per l’eEDM fatte da alcune estensioni del Modello Standard come la supersimmetria divisa (split SUSY) e la teoria della grande unificazione spin-10, sebbene il limite precedente li avesse già bocciati. Come spiega il membro del team Luke Caldwell, ricercatore post-dottorato presso la CU-Boulder: “In genere la dimensione prevista dell’eEDM è inversamente proporzionale alla scala energetica della nuova fisica proposta e quindi misurazioni più precise della fisica della sonda eEDM a energie sempre più elevate bilancia. La nostra misurazione fornisce vincoli alla nuova fisica su scale energetiche di decine di TeV, ben oltre la portata dei collisori di particelle come l’LHC”. Ciò rende improbabile che esistano nuove particelle al di sotto di queste energie.

Molti ricercatori, incluso il team di Boulder, stanno spingendo per abbassare ulteriormente il limite. “La prossima generazione dell’esperimento eEDM utilizzerà una molecola diversa, il fluoruro di torio. Questa molecola è intrinsecamente più sensibile all’eEDM”, afferma Caldwell, aggiungendo che dovrebbero essere in grado di misurare la sua precessione elettronica per 10-20 secondi. “Un prototipo di questo nuovo apparato è già attivo e funzionante, intrappola gli ioni e registra le prime precessioni di elettroni”.

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