Fysikere måler det elektronelektriske dipolmomentet til enestående presisjon – Physics World

Fysikere måler det elektronelektriske dipolmomentet til enestående presisjon – Physics World

Tidsstempel: 22. august 2023 kl.8: 00

Foto av vakuumkammeret og annet eksperimentelt apparat som brukes til å måle eEDM
Overvåkingspresesjon: Forskerne målte det elektronelektriske dipolmomentet i hafniumfluoridioner innesperret i en ionefelle. (Med tillatelse: Casey Cass/University of Colorado)

Fysikere ved University of Colorado, Boulder, USA har bestemt formen på elektronets ladningsfordeling med enestående presisjon. Ledet av Erik Cornell og Jun Ye, fant teamet at enhver ubalanse i denne ladningsfordelingen – elektronets elektriske dipolmoment, eller eEDM – må være mindre enn 4.1 x 10-30 e cm, med en usikkerhet på 2.1×10-30 e cm. Denne presisjonen tilsvarer å måle jordens størrelse innenfor dimensjonene til et virus, og resultatet har viktige implikasjoner i letingen etter nye partikler utover standardmodellen.

En måte å lete etter nye partikler på er å gjøre det direkte, ved å knuse kjente partikler sammen i store partikkelakseleratorer som Large Hadron Collider (LHC) ved stadig økende energier. Alternativet er å gjøre det indirekte, ved å se etter avslørende tegn på nye partikler i ladningsfordelingen til elektronet. Dette er metoden CU-Boulder-teamet brukte, og den lar søket utføres på en laboratoriebordplate.

Universets symmetri, speilet i et elektron

Elektronet har et magnetisk moment på grunn av dets spinn, og kan betraktes som en roterende ladning som genererer en magnetisk dipol. Derimot kan et elektrisk dipolmoment (EDM) bare oppstå hvis ladningsfordelingen til elektronet er litt forvrengt. Tilstedeværelsen av en slik forvrengning vil bety at elektronet ikke lenger adlyder tidsreverseringssymmetri, som er det grunnleggende kravet om at fysikken er den samme enten tiden flyter forover eller bakover.

For å forstå hvorfor denne symmetrien ville bli krenket, vurder hva som ville skje hvis tiden snudde. Elektronet ville da snurre motsatt vei og retningen til dets magnetiske moment ville snu. eEDM er imidlertid et resultat av en permanent ladeforvrengning, så den vil forbli uendret. Dette er et problem, fordi hvis vi starter med begge momentene parallelle, fører en tidsvending til at de er antiparallelle, og bryter tidssymmetrien.

Standardmodellen – det nåværende beste rammeverket for kreftene og partiklene som utgjør universet – tillater bare en svært liten mengde tidssymmetribrudd, så den forutsier at elektronets elektriske dipolmoment ikke kan være mer enn ~10-36 e cm. Dette er alt for lite til å være eksperimentelt testbart selv med dagens toppmoderne utstyr.

Imidlertid forutsier utvidelser til standardmodellen som supersymmetri eksistensen av mange nye partikler med energier høyere enn noen som er oppdaget så langt. Disse nye partiklene ville samhandle med elektronet for å gi det en mye større eEDM. Å søke etter en ikke-null eEDM er derfor et søk etter ny fysikk utover standardmodellen og en jakt på en "markør" av nye partikler.

Molekylære ioner hjelper til med å måle eEDM

For å måle eEDM, oppdager CU-Boulder-forskerne hvordan et elektron slingrer i et eksternt magnetisk og elektrisk felt. Denne slingringen, eller presesjonen, ligner på rotasjonen av et gyroskop i et gravitasjonsfelt. Når et elektron er plassert inne i et magnetfelt, vil det presessere ved en bestemt frekvens takket være dets magnetiske moment. Hvis elektronet også har en EDM, vil bruk av et elektrisk felt endre denne presesjonshastigheten: hvis elektronet er orientert i én retning i forhold til det elektriske feltet, vil frekvensen av presesjon øke hastigheten; hvis den "peker" i den andre retningen, vil hastigheten avta.

"Vi er i stand til å bestemme eEDM ved å måle frekvensforskjellen til denne slingringen, en gang med elektronet orientert i én retning og igjen med det i den andre," forklarer Trevor Wright, en doktorgradsstudent ved CU-Boulder og medforfatter av en artikkel i Vitenskap skisserer resultatene.

I stedet for å studere et elektron på egen hånd, overvåker forskerne presesjonsfrekvensen til et elektron inne i hafniumfluoridmolekylære ioner (HfF+). Det indre elektriske feltet til disse ionene gjør frekvensforskjellen mye større, og ved å begrense ionene i en felle kunne forskerne måle presesjonen til elektronet i opptil tre sekunder, forklarer Trevor. Faktisk hadde forskerne så god kontroll over molekylene at de var i stand til å måle presesjonsfrekvensen med en presisjon på titalls µHz

Etter 620 timer med datainnsamling, der forskerne endret flere eksperimentelle parametere for å undersøke og redusere systematiske feil, reduserte de den øvre grensen for elektron-EDM til 4.1×10-30 e cm. Dette er 37 ganger mindre enn deres egen tidligere måling og 2.4 ganger mindre enn forrige bestegrense.

David mot Goliat; eEDM vs LHC

Den nye grensen motsier spådommer for eEDM laget av noen utvidelser til standardmodellen, som splitt supersymmetri (split SUSY) og spin-10 grand unified teori, selv om den forrige grensen allerede hadde gitt dem en tommel ned. Som teammedlem Luke Caldwell, en postdoktor ved CU-Boulder, forklarer: "Vanligvis skalerer den anslåtte størrelsen på eEDM omvendt med energiskalaen til den foreslåtte nye fysikken og dermed mer presise målinger av eEDM-sondens fysikk ved høyere og høyere energi vekter. Målingen vår gir begrensninger for ny fysikk på energiskalaer ved titalls TeV, langt utenfor rekkevidden av partikkelkollidere som LHC.» Dette gjør det usannsynlig at nye partikler eksisterer under disse energiene.

Mange forskere, inkludert teamet ved Boulder, presser på for å senke grensen ytterligere. "Neste generasjon av eEDM-eksperimentet vil bruke et annet molekyl, thoriumfluorid. Dette molekylet er iboende mer følsomt for eEDM, sier Caldwell, og legger til at de burde være i stand til å måle elektronpresesjonen i 10-20 sekunder. "En prototype av dette nye apparatet er allerede oppe og går, fanger ioner og registrerer de første elektronpresesjonene."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden