물리학자들은 전례 없는 정밀도로 전자 전기 쌍극자 모멘트를 측정합니다.

물리학자들은 전례 없는 정밀도로 전자 전기 쌍극자 모멘트를 측정합니다.

타임 스탬프 : 22 년 2023 월 8 일 오전 00:XNUMX

eEDM 측정에 사용된 진공챔버 및 기타 실험장치 사진
세차 모니터링: 연구원들은 이온 트랩 내에 갇혀 있는 불화 하프늄 이온의 전자 전기 쌍극자 모멘트를 측정했습니다. (제공: Casey Cass/콜로라도 대학교)

미국 콜로라도 대학교 볼더(Boulder)의 물리학자들은 전례 없는 정밀도로 전자의 전하 분포 형태를 알아냈습니다. 주도 에릭 코넬 및 예준, 팀은 전자의 전기 쌍극자 모멘트(eEDM)와 같은 전하 분포의 불균형이 4.1 x 10 미만이어야 함을 발견했습니다.-30 e cm, 불확실성은 2.1×10-30 전자 cm. 이 정밀도는 지구의 크기를 바이러스 크기 내에서 측정하는 것과 동일하며, 그 결과는 표준 모델을 넘어서는 새로운 입자를 찾는 데 중요한 의미를 갖습니다.

새로운 입자를 찾는 한 가지 방법은 LHC(대형 강입자 충돌기)와 같은 대형 입자 가속기에서 점점 증가하는 에너지로 알려진 입자를 함께 분쇄하여 직접 수행하는 것입니다. 대안은 전자의 전하 분포에서 새로운 입자의 징후를 찾아 간접적으로 수행하는 것입니다. 이것이 CU-Boulder 팀이 사용한 방법이며, 이를 통해 실험실 테이블 위에서 검색을 수행할 수 있습니다.

전자에 비친 우주의 대칭

전자는 스핀으로 인해 자기 모멘트를 가지며, 자기 쌍극자를 생성하는 회전 전하로 생각할 수 있습니다. 대조적으로, 전기 쌍극자 모멘트(EDM)는 전자의 전하 분포가 약간 왜곡되는 경우에만 발생할 수 있습니다. 그러한 왜곡이 존재한다는 것은 전자가 더 이상 시간 역전 대칭을 따르지 않는다는 것을 의미합니다. 이는 시간이 앞으로 흐르든 뒤로 흐르든 물리학이 동일하다는 기본 요구 사항입니다.

이 대칭성이 왜 위반되는지 이해하려면 시간이 역전되면 어떤 일이 일어날지 생각해 보세요. 그러면 전자는 반대 방향으로 회전하고 자기 모멘트의 방향이 반전됩니다. 그러나 eEDM은 영구적인 전하 왜곡의 결과이므로 변경되지 않습니다. 두 순간이 평행한 상태에서 시작하면 시간 반전으로 인해 두 순간이 역평행이 되어 시간 대칭을 위반하게 되기 때문에 이것이 문제입니다.

우주를 구성하는 힘과 입자에 대한 현재 최고의 프레임워크인 표준 모델은 아주 적은 양의 시간 대칭 위반만 허용하므로 전자의 전기 쌍극자 모멘트는 ~10을 초과할 수 없다고 예측합니다.-36 전자 cm. 이는 현재의 최첨단 장비로도 실험적으로 테스트하기에는 너무 작습니다.

그러나 초대칭과 같은 표준 모델의 확장은 지금까지 발견된 것보다 더 높은 에너지를 갖는 많은 새로운 입자의 존재를 예측합니다. 이 새로운 입자는 전자와 상호 작용하여 훨씬 더 큰 eEDM을 제공합니다. 따라서 XNUMX이 아닌 eEDM을 검색하는 것은 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 검색하는 것이며 새로운 입자의 "마커"를 찾는 것입니다.

분자 이온은 eEDM 측정에 도움이 됩니다.

eEDM을 측정하기 위해 CU-Boulder 연구진은 전자가 외부 자기장 및 전기장에서 어떻게 흔들리는지 감지합니다. 이 흔들림, 즉 세차운동은 중력장에서 자이로스코프가 회전하는 것과 유사합니다. 전자가 자기장 안에 놓이면 자기 모멘트로 인해 특정 주파수에서 세차운동을 하게 됩니다. 전자에도 EDM이 있는 경우 전기장을 가하면 세차 속도가 변경됩니다. 전자가 전기장에 대해 한 방향으로 향하면 세차 주파수가 빨라집니다. 다른 방향을 "가리키고" 있으면 속도가 느려집니다.

“우리는 전자가 한 방향으로 향하고 또 다시 전자가 다른 방향으로 향하는 이 워블의 주파수 차이를 측정하여 eEDM을 결정할 수 있습니다.”라고 설명합니다. 트레버 라이트, CU-Boulder 박사과정 학생이자 다음 논문의 공동 저자입니다. 과학 결과를 요약합니다.

연구자들은 자체적으로 전자를 연구하는 대신 하프늄 플루오라이드 분자 이온(HfF+) 내부의 전자의 세차 주파수를 모니터링합니다. 이러한 이온의 내부 전기장은 주파수 차이를 훨씬 더 크게 만들고 이온을 트랩에 가두어 연구원들은 최대 XNUMX초 동안 전자의 세차 운동을 측정할 수 있었다고 Trevor는 설명합니다. 실제로, 연구자들은 세차 진동수를 수십의 정밀도로 측정할 수 있을 정도로 분자를 잘 통제했습니다. µ헤르츠.

연구자들은 체계적 오류를 조사하고 줄이기 위해 여러 실험 매개 변수를 변경하는 620시간의 데이터 수집 후에 전자 EDM의 상한을 4.1×10-30 전자 cm. 이는 이전 측정값보다 37배 작고 이전 최고 한계보다 2.4배 작습니다.

다윗 대 골리앗; eEDM 대 LHC

새로운 한계는 분할 초대칭(분할 SUSY) 및 스핀-10 대통일 이론과 같은 표준 모델의 일부 확장에 의해 만들어진 eEDM에 대한 예측과 모순되지만, 이전 한계는 이미 반대의견을 제시했습니다. CU-Boulder의 박사후 연구원인 팀원 Luke Caldwell은 다음과 같이 설명합니다. “일반적으로 eEDM의 예측 크기는 제안된 새로운 물리학의 에너지 규모에 반비례하므로 더 높은 에너지에서 eEDM 프로브 물리학의 보다 정확한 측정이 가능합니다. 저울. 우리의 측정은 LHC와 같은 입자 충돌기의 도달 범위를 훨씬 넘어서는 수십 TeV의 에너지 규모에서 새로운 물리학에 대한 제약을 제공합니다." 이로 인해 이러한 에너지 아래에 새로운 입자가 존재할 가능성이 거의 없습니다.

볼더(Boulder) 팀을 포함한 많은 연구자들은 한계를 더욱 낮추기 위해 노력하고 있습니다. “차세대 eEDM 실험에서는 불화토륨이라는 다른 분자를 사용할 것입니다. 이 분자는 본질적으로 eEDM에 더 민감합니다.”라고 Caldwell은 말하며 10~20초 동안 전자 세차를 측정할 수 있어야 한다고 덧붙였습니다. "이 새로운 장치의 프로토타입은 이미 작동 중이며 이온을 포착하고 최초의 전자 세차를 기록하고 있습니다."

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