Físicos medem o momento dipolo elétrico do elétron com uma precisão sem precedentes – Physics World

Físicos medem o momento dipolo elétrico do elétron com uma precisão sem precedentes – Physics World

Carimbo de data / hora: 22 de agosto de 2023, 8h

Foto da câmara de vácuo e outros aparelhos experimentais utilizados para medir o eEDM
Monitoramento da precessão: Os pesquisadores mediram o momento de dipolo elétrico do elétron em íons de fluoreto de háfnio confinados em uma armadilha de íons. (Cortesia: Casey Cass/Universidade do Colorado)

Físicos da Universidade do Colorado, em Boulder, EUA, determinaram a forma da distribuição de carga do elétron com uma precisão sem precedentes. Liderado por Eric Cornell e Jun Ye, a equipe descobriu que qualquer desequilíbrio nesta distribuição de carga – o momento de dipolo elétrico do elétron, ou eEDM – deve ser inferior a 4.1 x 10-30 e cm, com uma incerteza de 2.1×10-30 e cm. Esta precisão equivale a medir o tamanho da Terra dentro das dimensões de um vírus, e o resultado tem implicações importantes na busca de novas partículas além do Modelo Padrão.

Uma maneira de procurar novas partículas é fazê-lo diretamente, esmagando partículas conhecidas em grandes aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), a energias cada vez maiores. A alternativa é fazê-lo indiretamente, procurando sinais reveladores de novas partículas na distribuição de carga do elétron. Este é o método utilizado pela equipe do CU-Boulder e permite que a pesquisa seja realizada em uma mesa de laboratório.

A simetria do universo, espelhada em um elétron

O elétron tem um momento magnético devido ao seu spin e pode ser considerado uma carga rotativa gerando um dipolo magnético. Em contraste, um momento de dipolo elétrico (EDM) só poderia ocorrer se a distribuição de carga do elétron fosse ligeiramente distorcida. A presença de tal distorção significaria que o elétron não obedeceria mais à simetria de reversão do tempo, que é o requisito fundamental para que a física seja a mesma, quer o tempo flua para frente ou para trás.

Para entender por que essa simetria seria violada, consideremos o que aconteceria se o tempo fosse revertido. O elétron giraria então na direção oposta e a direção de seu momento magnético mudaria. O eEDM, no entanto, é resultado de uma distorção permanente da carga, pelo que permaneceria inalterado. Isto é um problema, porque se começarmos com ambos os momentos paralelos, uma reversão no tempo fará com que sejam antiparalelos, violando a simetria do tempo.

O Modelo Padrão – a melhor estrutura atual para as forças e partículas que compõem o universo – permite apenas uma pequena quantidade de violação da simetria do tempo, por isso prevê que o momento de dipolo elétrico do elétron não pode ser superior a ~10-36 e cm. Isso é muito pequeno para ser testável experimentalmente, mesmo com equipamentos de última geração.

No entanto, extensões do Modelo Padrão, como a supersimetria, prevêem a existência de muitas novas partículas com energias superiores às descobertas até agora. Essas novas partículas interagiriam com o elétron para dar-lhe um eEDM muito maior. A busca por um eEDM diferente de zero é, portanto, uma busca por uma nova física além do Modelo Padrão e uma busca por um “marcador” de novas partículas.

Íons moleculares ajudam a medir o eEDM

Para medir o eEDM, os pesquisadores da CU-Boulder detectam como um elétron oscila em um campo magnético e elétrico externo. Esta oscilação, ou precessão, é semelhante à rotação de um giroscópio num campo gravitacional. Quando um elétron é colocado dentro de um campo magnético, ele irá precessar em uma frequência específica graças ao seu momento magnético. Se o elétron também tiver um EDM, a aplicação de um campo elétrico alterará essa taxa de precessão: se o elétron estiver orientado em uma direção em relação ao campo elétrico, a frequência de precessão aumentará; se estiver “apontando” na outra direção, a taxa diminuirá.

“Conseguimos determinar o eEDM medindo a diferença de frequência dessa oscilação, uma vez com o elétron orientado em uma direção e novamente com ele na outra”, explica Trevor Wright, estudante de doutorado na CU-Boulder e coautor de um artigo em Ciência delineando os resultados.

Em vez de estudar um elétron por conta própria, os pesquisadores monitoram a frequência de precessão de um elétron dentro dos íons moleculares de fluoreto de háfnio (HfF+). O campo elétrico interno desses íons torna a diferença de frequência muito maior e, ao confinar os íons em uma armadilha, os pesquisadores conseguiram medir a precessão do elétron por até três segundos, explica Trevor. Na verdade, os investigadores tinham um controlo tão bom sobre as moléculas que foram capazes de medir a frequência de precessão com uma precisão de dezenas de µHz

Após 620 horas de coleta de dados, durante as quais os pesquisadores alteraram vários parâmetros experimentais para investigar e reduzir erros sistemáticos, eles reduziram o limite superior do EDM eletrônico para 4.1×10-30 e cm. Isso é 37 vezes menor que a medição anterior e 2.4 vezes menor que o melhor limite anterior.

Davi contra Golias; eEDM versus LHC

O novo limite contradiz as previsões para o eEDM feitas por algumas extensões do Modelo Padrão, como a supersimetria dividida (SUSY dividida) e a teoria da grande unificação de spin-10, embora o limite anterior já lhes tivesse dado uma negativa. Como explica o membro da equipe Luke Caldwell, pesquisador de pós-doutorado na CU-Boulder: “Normalmente, o tamanho previsto do eEDM é inversamente proporcional à escala de energia da nova física proposta e, portanto, medições mais precisas da física da sonda eEDM em energia cada vez mais alta. escalas. Nossa medição fornece restrições à nova física em escalas de energia de dezenas de TeV, muito além do alcance de colisores de partículas como o LHC.” Isto torna improvável que existam novas partículas abaixo destas energias.

Muitos pesquisadores, incluindo a equipe de Boulder, estão pressionando para reduzir ainda mais o limite. “A próxima geração do experimento eEDM usará uma molécula diferente, o fluoreto de tório. Esta molécula é inerentemente mais sensível ao eEDM”, diz Caldwell, acrescentando que deverão ser capazes de medir a sua precessão electrónica durante 10-20s. “Um protótipo deste novo aparelho já está instalado e funcionando, capturando íons e registrando as primeiras precessões de elétrons.”

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