Fizycy mierzą elektryczny moment dipolowy elektronu z niespotykaną precyzją – Physics World

Fizycy mierzą elektryczny moment dipolowy elektronu z niespotykaną precyzją – Physics World

Znacznik czasu: 22 sierpnia 2023 8:00

Zdjęcie komory próżniowej i innej aparatury eksperymentalnej użytej do pomiaru eEDM
Monitorowanie precesji: Naukowcy zmierzyli elektronowo-elektryczny moment dipolowy w jonach fluorku hafnu zamkniętych w pułapce jonowej. (Dzięki uprzejmości: Casey Cass/Uniwersytet Kolorado)

Fizycy z Uniwersytetu Kolorado w Boulder w USA określili kształt rozkładu ładunku elektronu z niespotykaną dotąd precyzją. Prowadzone przez Erica Cornella i Cze Yezespół odkrył, że jakakolwiek nierównowaga w tym rozkładzie ładunku – elektryczny moment dipolowy elektronu, czyli eEDM – musi być mniejsza niż 4.1 x 10-30 e cm, z niepewnością 2.1×10-30 e cm. Precyzja ta jest równoważna pomiarowi wielkości Ziemi z dokładnością do wymiarów wirusa, a wynik ma ważne implikacje w poszukiwaniu nowych cząstek poza Modelem Standardowym.

Jednym ze sposobów poszukiwania nowych cząstek jest poszukiwanie ich bezpośrednio, poprzez rozbijanie znanych cząstek w dużych akceleratorach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), przy stale rosnących energiach. Alternatywą jest zrobienie tego pośrednio, szukając charakterystycznych oznak obecności nowych cząstek w rozkładzie ładunku elektronu. Jest to metoda zastosowana przez zespół CU-Boulder, która umożliwia prowadzenie poszukiwań na stole laboratoryjnym.

Symetria wszechświata odzwierciedlona w elektronie

Elektron ma moment magnetyczny wynikający ze swojego spinu i można go traktować jako wirujący ładunek wytwarzający dipol magnetyczny. Natomiast elektryczny moment dipolowy (EDM) może wystąpić tylko wtedy, gdy rozkład ładunku elektronu zostanie nieznacznie zniekształcony. Obecność takiego zniekształcenia oznaczałaby, że elektron nie podlega już symetrii odwrócenia czasu, co jest podstawowym wymogiem, aby fizyka była taka sama niezależnie od tego, czy czas płynie do przodu, czy do tyłu.

Aby zrozumieć, dlaczego ta symetria zostałaby naruszona, zastanów się, co by się stało, gdyby czas się odwrócił. Elektron obracałby się wówczas w odwrotną stronę i kierunek jego momentu magnetycznego uległby odwróceniu. Jednak eEDM jest wynikiem trwałego odkształcenia ładunku, więc pozostanie niezmieniony. Jest to problem, ponieważ jeśli zaczniemy od równoległych momentów, odwrócenie czasu doprowadzi do tego, że będą one antyrównoległe, naruszając symetrię czasu.

Model Standardowy – obecnie najlepsze ramy dla sił i cząstek tworzących Wszechświat – pozwala jedynie na bardzo niewielkie naruszenia symetrii czasu, zatem przewiduje, że elektryczny moment dipolowy elektronu nie może być większy niż ~10-36 e cm. To zbyt mało, aby można było je przetestować eksperymentalnie, nawet przy użyciu najnowocześniejszego sprzętu.

Jednakże rozszerzenia Modelu Standardowego, takie jak supersymetria, przewidują istnienie wielu nowych cząstek o energiach wyższych niż jakiekolwiek odkryte do tej pory. Te nowe cząstki wchodziłyby w interakcję z elektronem, nadając mu znacznie większy eEDM. Poszukiwanie niezerowego eEDM jest zatem poszukiwaniem nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy i polowaniem na „znacznik” nowych cząstek.

Jony molekularne pomagają mierzyć eEDM

Aby zmierzyć eEDM, badacze z CU-Boulder wykrywają, jak elektron chybia się w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym. To wahanie, czyli precesja, jest podobne do obrotu żyroskopu w polu grawitacyjnym. Kiedy elektron zostanie umieszczony w polu magnetycznym, dzięki swojemu momentowi magnetycznemu będzie przechodził precesję z określoną częstotliwością. Jeśli elektron ma również EDM, przyłożenie pola elektrycznego zmieni tę szybkość precesji: jeśli elektron jest zorientowany w jednym kierunku względem pola elektrycznego, częstotliwość precesji wzrośnie; jeśli „wskazuje” w innym kierunku, tempo spadnie.

„Jesteśmy w stanie określić eEDM, mierząc różnicę częstotliwości tego drgania, raz z elektronem zorientowanym w jednym kierunku, a raz z nim w drugim” – wyjaśnia Trevora Wrighta, doktorant na CU-Boulder i współautor artykułu w nauka opisując wyniki.

Zamiast badać sam elektron, naukowcy monitorują częstotliwość precesji elektronu wewnątrz jonów cząsteczkowych fluorku hafnu (HfF+). Wewnętrzne pole elektryczne tych jonów sprawia, że ​​różnica częstotliwości jest znacznie większa, a zamykając jony w pułapce, badacze byli w stanie zmierzyć precesję elektronu przez maksymalnie trzy sekundy, wyjaśnia Trevor. Rzeczywiście, badacze mieli tak dobrą kontrolę nad cząsteczkami, że byli w stanie zmierzyć częstotliwość precesji z dokładnością do kilkudziesięciu µHz

Po 620 godzinach gromadzenia danych, podczas których badacze zmienili wiele parametrów eksperymentalnych w celu zbadania i ograniczenia błędów systematycznych, obniżyli górną granicę elektronowego EDM do 4.1×10-30 e cm. To 37 razy mniej niż ich własny poprzedni pomiar i 2.4 razy mniej niż poprzedni najlepszy limit.

Dawid kontra Goliat; eEDM kontra LHC

Nowy limit jest sprzeczny z przewidywaniami dotyczącymi eEDM dokonanymi przez niektóre rozszerzenia Modelu Standardowego, takie jak rozdzielona supersymetria (split SUSY) i teoria wielkiej unifikacji spinu-10, chociaż poprzedni limit już je odrzucił. Jak wyjaśnia członek zespołu Luke Caldwell, pracownik naukowy ze stopniem doktora w CU-Boulder: „Zazwyczaj przewidywany rozmiar eEDM skaluje się odwrotnie do skali energetycznej proponowanej nowej fizyki, a zatem dokładniejsze pomiary fizyki sondy eEDM przy coraz wyższych energiach waga. Nasz pomiar zapewnia ograniczenia dla nowej fizyki w skalach energii rzędu dziesiątek TeV, znacznie poza zasięgiem zderzaczy cząstek, takich jak LHC”. To sprawia, że ​​jest mało prawdopodobne, aby istniały nowe cząstki poniżej tych energii.

Wielu badaczy, w tym zespół z Boulder, naciska na dalsze obniżenie tego limitu. „Następna generacja eksperymentu eEDM będzie wykorzystywać inną cząsteczkę, fluorek toru. Cząsteczka ta jest z natury bardziej wrażliwa na eEDM” – mówi Caldwell, dodając, że powinni być w stanie zmierzyć jej precesję elektronów przez 10–20 sekund. „Prototyp tego nowego urządzenia już działa, wychwytuje jony i rejestruje pierwsze precesje elektronów”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki