פיזיקאים מודדים את מומנט הדיפול החשמלי האלקטרוני בדיוק חסר תקדים - עולם הפיזיקה

פיזיקאים מאוניברסיטת קולורדו, בולדר, ארה"ב קבעו את צורת התפלגות המטען של האלקטרון בדיוק חסר תקדים. בראשותו של אריק קורנל ו יוני יה, הצוות מצא שכל חוסר איזון בחלוקת המטען הזו - מומנט הדיפול החשמלי של האלקטרון, או eEDM - חייב להיות פחות מ-4.1 x 10^-30 e cm, עם אי ודאות של 2.1×10^-30 e ס"מ. דיוק זה שווה ערך למדידת גודל כדור הארץ בממדים של וירוס, ולתוצאה יש השלכות חשובות בחיפוש אחר חלקיקים חדשים מעבר למודל הסטנדרטי.

דרך אחת לחפש חלקיקים חדשים היא לעשות זאת ישירות, על ידי ריסוק חלקיקים ידועים יחדיו במאיצי חלקיקים גדולים כמו מאיץ ההדרון הגדול (LHC) באנרגיות הולכות וגדלות. האלטרנטיבה היא לעשות זאת בעקיפין, על ידי חיפוש אחר סימנים מובהקים של חלקיקים חדשים בחלוקת המטען של האלקטרון. זו השיטה בה השתמש צוות CU-Boulder, והיא מאפשרת לבצע את החיפוש על משטח מעבדה.

הסימטריה של היקום, משתקפת באלקטרון

לאלקטרון יש מומנט מגנטי בגלל הספין שלו, וניתן לחשוב עליו כמטען מסתובב היוצר דיפול מגנטי. לעומת זאת, מומנט דיפול חשמלי (EDM) יכול להתרחש רק אם חלוקת המטען של האלקטרון מעוותת מעט. הנוכחות של עיוות כזה משמעה שהאלקטרון כבר לא מציית לסימטריית היפוך זמן, שהיא הדרישה הבסיסית לפיה הפיזיקה זהה בין אם הזמן זורם קדימה או אחורה.

כדי להבין מדוע הסימטריה הזו תופר, שקול מה יקרה אם הזמן יתהפך. האלקטרון יסתובב בכיוון ההפוך וכיוון המומנט המגנטי שלו יתהפך. ה-eEDM, לעומת זאת, הוא תוצאה של עיוות טעינה קבוע, כך שהוא יישאר ללא שינוי. זו בעיה, כי אם נתחיל עם שני הרגעים במקביל, היפוך זמן מוביל לכך שהם אנטי-מקבילים, מפרים את סימטריית הזמן.

המודל הסטנדרטי - המסגרת הטובה ביותר הנוכחית עבור הכוחות והחלקיקים המרכיבים את היקום - מאפשר רק כמות קטנה מאוד של הפרת סימטריה בזמן, ולכן הוא חוזה שמומנט הדיפול החשמלי של האלקטרון לא יכול להיות יותר מ-10^-36 e ס"מ. זה הרבה יותר מדי קטן מכדי שניתן יהיה לבחון אותו בניסוי אפילו עם ציוד מתקדם עדכני.

עם זאת, הרחבות למודל הסטנדרטי כגון סופרסימטריה מנבאות את קיומם של חלקיקים חדשים רבים באנרגיות גבוהות יותר מכל אלו שהתגלו עד כה. חלקיקים חדשים אלה יתקשרו עם האלקטרון כדי לתת לו eEDM גדול בהרבה. חיפוש אחר eEDM שאינו מאפס הוא אפוא חיפוש אחר פיזיקה חדשה מעבר למודל הסטנדרטי וציוד אחר "סמן" של חלקיקים חדשים.

יונים מולקולריים עוזרים למדוד את ה-eEDM

כדי למדוד את ה-eEDM, חוקרי CU-Boulder מזהים כיצד אלקטרון מתנדנד בשדה מגנטי וחשמלי חיצוני. תנודה זו, או קדנציה, דומה לסיבוב של גירוסקופ בשדה כבידה. כאשר מניחים אלקטרון בתוך שדה מגנטי, הוא יקדם בתדר מסוים הודות לרגע המגנטי שלו. אם לאלקטרון יש גם EDM, הפעלת שדה חשמלי תשנה את קצב הפרצסיה הזה: אם האלקטרון מכוון בכיוון אחד ביחס לשדה החשמלי, תדירות הפרצסיה תאיץ; אם הוא "מצביע" לכיוון השני, הקצב יאט.

"אנו מסוגלים לקבוע את ה-eEDM על ידי מדידת הפרש התדרים של הנדנוד הזה, פעם אחת כשהאלקטרון מכוון בכיוון אחד ושוב איתו בכיוון השני", מסביר טרבור רייט, סטודנט לדוקטורט ב-CU-Boulder ומחבר שותף של מאמר ב מדע מתאר את התוצאות.

במקום לחקור אלקטרון בעצמו, החוקרים עוקבים אחר תדירות הפרצסיה של אלקטרון בתוך יונים מולקולריים של הפניום פלואוריד (HfF+). השדה החשמלי הפנימי של יונים אלה הופך את הפרש התדרים להרבה יותר גדול, ובאמצעות כליאת היונים במלכודת, החוקרים הצליחו למדוד את הקדמה של האלקטרון עד שלוש שניות, מסביר טרבור. ואכן, לחוקרים הייתה שליטה כל כך טובה על המולקולות שהם הצליחו למדוד את תדירות הפרצסיה בדיוק של עשרות µהרץ.

לאחר 620 שעות של איסוף נתונים, שבמהלכן שינו החוקרים מספר פרמטרים ניסויים כדי לחקור ולהפחית שגיאות שיטתיות, הם הפחיתו את הגבול העליון של האלקטרון EDM ל-4.1×10^-30 e ס"מ. זה קטן פי 37 מהמדידה הקודמת שלהם ופי 2.4 מהגבול הטוב ביותר הקודם.

דוד נגד גוליית; eEDM לעומת LHC

המגבלה החדשה סותרת תחזיות עבור eEDM שנעשו על ידי כמה הרחבות למודל הסטנדרטי, כגון סופרסימטריה מפוצלת (SUSY מפוצלת) ותיאוריית ספין-10 גראנד מאוחדת, אם כי המגבלה הקודמת כבר נתנה להם אגודל למטה. כפי שחבר הצוות לוק קאלדוול, חוקר פוסט-דוקטורט ב-CU-Boulder, מסביר: "בדרך כלל הגודל החזוי של סולמות ה-eEDM משתנים הפוך לסולם האנרגיה של הפיזיקה החדשה המוצעת, ולכן מדידות מדויקות יותר של פיזיקת הבדיקה של eEDM באנרגיה גבוהה יותר ויותר. מאזניים. המדידה שלנו מספקת אילוצים על פיזיקה חדשה בסקאלות אנרגיה בעשרות TeV, הרבה מעבר להישג ידם של מתנגדי חלקיקים כמו LHC." זה הופך את זה לא סביר שחלקיקים חדשים קיימים מתחת לאנרגיות הללו.

מודדים (כמעט) אפס

חוקרים רבים, כולל הצוות בבולדר, דוחפים להוריד את הגבול עוד יותר. "הדור הבא של ניסוי ה-eEDM ישתמש במולקולה אחרת, תוריום פלואוריד. מולקולה זו מטבעה רגישה יותר ל-eEDM", אומר קאלדוול, ומוסיף שהם צריכים להיות מסוגלים למדוד את קדימת האלקטרונים שלה במשך 10-20 שניות. "אב-טיפוס של המנגנון החדש הזה כבר פועל, לוכד יונים ורושם את תנועות האלקטרונים הראשונות".

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• ChartPrime. הרם את משחק המסחר שלך עם ChartPrime. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-electron-electric-dipole-moment-to-unprecedented-precision/