Natuurkundigen meten het elektron-elektrische dipoolmoment met ongekende precisie – Physics World

Natuurkundigen meten het elektron-elektrische dipoolmoment met ongekende precisie – Physics World

Tijdstempel: 22 augustus 2023 8:00 uur

Foto van de vacuümkamer en andere experimentele apparatuur die wordt gebruikt om de eEDM te meten
Precessie monitoren: De onderzoekers maten het elektron-elektrische dipoolmoment in hafniumfluoride-ionen opgesloten in een ionenval. (Met dank aan: Casey Cass/Universiteit van Colorado)

Natuurkundigen van de Universiteit van Colorado, Boulder, VS hebben de vorm van de ladingsverdeling van het elektron met ongekende precisie bepaald. Geleid door Erik Kornel en juni Ye, ontdekte het team dat elke onbalans in deze ladingsverdeling – het elektrische dipoolmoment van het elektron, of eEDM – kleiner moet zijn dan 4.1 x 10-30 e cm, met een onzekerheid van 2.1×10-30 e cm. Deze precisie komt overeen met het meten van de omvang van de aarde tot binnen de afmetingen van een virus, en het resultaat heeft belangrijke implicaties bij de zoektocht naar nieuwe deeltjes die verder gaan dan het standaardmodel.

Eén manier om naar nieuwe deeltjes te zoeken is door dit rechtstreeks te doen, door bekende deeltjes samen te slaan in grote deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) met steeds hogere energieën. Het alternatief is om dit indirect te doen, door te zoeken naar tekenen van nieuwe deeltjes in de ladingsverdeling van het elektron. Dit is de methode die het CU-Boulder-team heeft gebruikt, en het maakt het mogelijk om de zoekopdracht uit te voeren op een laboratoriumtafelblad.

De symmetrie van het heelal, weerspiegeld in een elektron

Het elektron heeft een magnetisch moment vanwege zijn spin en kan worden gezien als een roterende lading die een magnetische dipool genereert. Daarentegen kan een elektrisch dipoolmoment (EDM) alleen optreden als de ladingsverdeling van het elektron enigszins vervormd is. De aanwezigheid van een dergelijke vervorming zou betekenen dat het elektron niet langer voldoet aan de tijdomkeersymmetrie, wat de fundamentele vereiste is dat de natuurkunde hetzelfde is, ongeacht of de tijd vooruit of achteruit stroomt.

Om te begrijpen waarom deze symmetrie zou worden geschonden, moeten we bedenken wat er zou gebeuren als de tijd zou omkeren. Het elektron zou dan in de tegenovergestelde richting draaien en de richting van zijn magnetische moment zou omdraaien. De eEDM is echter het resultaat van een permanente ladingsvervorming en zou dus onveranderd blijven. Dit is een probleem, want als we beginnen met beide momenten parallel, leidt een tijdomkering ertoe dat ze antiparallel worden, waardoor de tijdsymmetrie wordt geschonden.

Het Standaardmodel – het huidige beste raamwerk voor de krachten en deeltjes waaruit het universum bestaat – staat slechts een zeer kleine mate van tijdsymmetrieschending toe, dus voorspelt het dat het elektrische dipoolmoment van het elektron niet meer dan ~10 kan zijn.-36 e cm. Dit is veel te klein om experimenteel te testen, zelfs met de huidige state-of-the-art apparatuur.

Uitbreidingen van het Standaardmodel, zoals supersymmetrie, voorspellen echter het bestaan ​​van veel nieuwe deeltjes met energieën die hoger zijn dan alle tot nu toe ontdekte deeltjes. Deze nieuwe deeltjes zouden een interactie aangaan met het elektron, waardoor het een veel grotere eEDM krijgt. Zoeken naar een eEDM die niet nul is, is daarom een ​​zoektocht naar nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel en een zoektocht naar een ‘marker’ van nieuwe deeltjes.

Moleculaire ionen helpen bij het meten van de eEDM

Om de eEDM te meten, detecteren de CU-Boulder-onderzoekers hoe een elektron wiebelt in een extern magnetisch en elektrisch veld. Deze schommeling, of precessie, is vergelijkbaar met de rotatie van een gyroscoop in een zwaartekrachtveld. Wanneer een elektron in een magnetisch veld wordt geplaatst, zal het dankzij zijn magnetische moment met een specifieke frequentie precederen. Als het elektron ook een EDM heeft, zal het aanleggen van een elektrisch veld deze precessiesnelheid veranderen: als het elektron in één richting is georiënteerd ten opzichte van het elektrische veld, zal de precessiefrequentie versnellen; als het in de andere richting “wijst”, zal de snelheid vertragen.

“We kunnen de eEDM bepalen door het frequentieverschil van deze schommeling te meten, de ene keer met het elektron in de ene richting gericht en vervolgens weer in de andere richting”, legt hij uit. Trevor Wright, een PhD-student bij CU-Boulder en co-auteur van een artikel in Wetenschap het schetsen van de resultaten.

In plaats van een elektron op zichzelf te bestuderen, monitoren de onderzoekers de precessiefrequentie van een elektron in de moleculaire hafniumfluoride-ionen (HfF+). Het interne elektrische veld van deze ionen maakt het frequentieverschil veel groter, en door de ionen in een val op te sluiten, konden de onderzoekers de precessie van het elektron gedurende maximaal drie seconden meten, legt Trevor uit. De onderzoekers hadden de moleculen zo goed onder controle dat ze de precessiefrequentie konden meten tot op tientallen nauwkeurigheden. µHz

Na 620 uur gegevensverzameling, waarin de onderzoekers meerdere experimentele parameters veranderden om systematische fouten te onderzoeken en te verminderen, verlaagden ze de bovengrens voor de elektronen-EDM tot 4.1 x 10.-30 e cm. Dit is 37 keer kleiner dan hun eigen eerdere meting en 2.4 keer kleiner dan de vorige beste limiet.

David versus Goliath; eEDM versus LHC

De nieuwe limiet is in tegenspraak met de voorspellingen voor de eEDM die zijn gedaan door enkele uitbreidingen van het standaardmodel, zoals gesplitste supersymmetrie (split SUSY) en de spin-10 grand unified theorie, hoewel de vorige limiet hen al een minpunt had opgeleverd. Zoals teamlid Luke Caldwell, een postdoctoraal onderzoeker bij CU-Boulder, uitlegt: “Doorgaans schaalt de voorspelde grootte van de eEDM omgekeerd met de energieschaal van de voorgestelde nieuwe fysica en dus nauwkeurigere metingen van de eEDM-sondefysica bij steeds hogere energie. schubben. Onze meting levert beperkingen op voor nieuwe fysica op energieschalen van tientallen TeV, ver buiten het bereik van deeltjesbotsers zoals de LHC.” Dit maakt het onwaarschijnlijk dat er onder deze energieën nieuwe deeltjes bestaan.

Veel onderzoekers, waaronder het team van Boulder, streven ernaar om de limiet nog verder te verlagen. “De volgende generatie van het eEDM-experiment zal een ander molecuul gebruiken, thoriumfluoride. Dit molecuul is inherent gevoeliger voor eEDM”, zegt Caldwell, eraan toevoegend dat ze de elektronenprecessie gedurende 10 tot 20 seconden zouden moeten kunnen meten. “Een prototype van dit nieuwe apparaat is al in gebruik, het vangt ionen op en registreert de eerste elektronenprecessies.”

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld