Физики измеряют электрический дипольный момент электрона с беспрецедентной точностью

Физики измеряют электрический дипольный момент электрона с беспрецедентной точностью

Отметка времени: 22 августа 2023 г., 8:00

Фотография вакуумной камеры и другого экспериментального оборудования, используемого для измерения eEDM.
Мониторинг прецессии: исследователи измерили электрический дипольный момент электрона в ионах фторида гафния, удерживаемых внутри ионной ловушки. (Фото любезно предоставлено: Кейси Касс/Университет Колорадо)

Физики из Университета Колорадо в Боулдере, США, определили форму распределения заряда электронов с беспрецедентной точностью. Под руководством Эрик Корнелл и Джун Йе, команда обнаружила, что любой дисбаланс в этом распределении заряда – электрический дипольный момент электрона, или eEDM – должен быть меньше 4.1 x 10.-30 е см, с погрешностью 2.1×10-30 е см. Эта точность эквивалентна измерению размера Земли с точностью до размеров вируса, и результат имеет важное значение для поиска новых частиц за пределами Стандартной модели.

Один из способов поиска новых частиц — делать это напрямую, сталкивая известные частицы вместе в больших ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК), при постоянно возрастающих энергиях. Альтернатива — сделать это косвенно, ища характерные признаки появления новых частиц в распределении заряда электрона. Именно этот метод использовала команда CU-Boulder, и он позволяет проводить поиск на лабораторном столе.

Симметрия Вселенной, отраженная в электроне

Электрон обладает магнитным моментом, обусловленным его вращением, и его можно рассматривать как вращающийся заряд, создающий магнитный диполь. Напротив, электрический дипольный момент (ЭДМ) может возникнуть только в том случае, если распределение заряда электрона слегка искажено. Наличие такого искажения означало бы, что электрон больше не подчиняется симметрии обращения времени, которая является фундаментальным требованием того, что физика одинакова независимо от того, течет ли время вперед или назад.

Чтобы понять, почему эта симметрия будет нарушена, рассмотрим, что произойдет, если время повернется вспять. Тогда электрон будет вращаться в противоположном направлении, и направление его магнитного момента изменится. Однако eEDM является результатом постоянного искажения заряда, поэтому он останется неизменным. Это проблема, потому что если мы начнем с параллельных обоих моментов, обращение времени приведет к тому, что они станут антипараллельными, что нарушит временную симметрию.

Стандартная модель – лучшая на данный момент модель взаимодействия сил и частиц, составляющих Вселенную – допускает лишь очень небольшое нарушение временной симметрии, поэтому она предсказывает, что электрический дипольный момент электрона не может превышать ~10.-36 е см. Это слишком мало, чтобы его можно было экспериментально проверить даже с использованием современного оборудования.

Однако расширения Стандартной модели, такие как суперсимметрия, предсказывают существование множества новых частиц с энергиями, превышающими все обнаруженные до сих пор. Эти новые частицы будут взаимодействовать с электроном, придавая ему гораздо больший eEDM. Таким образом, поиск ненулевого eEDM — это поиск новой физики за пределами Стандартной модели и поиск «маркера» новых частиц.

Молекулярные ионы помогают измерить eEDM

Чтобы измерить eEDM, исследователи CU-Boulder обнаруживают, как электрон колеблется во внешнем магнитном и электрическом поле. Это колебание, или прецессия, похоже на вращение гироскопа в гравитационном поле. Когда электрон помещен в магнитное поле, он будет прецессировать с определенной частотой благодаря своему магнитному моменту. Если электрон также имеет ЭДМ, приложение электрического поля изменит эту скорость прецессии: если электрон ориентирован в одном направлении по отношению к электрическому полю, частота прецессии увеличится; если он «указывает» в другом направлении, скорость замедлится.

«Мы можем определить eEDM, измеряя разность частот этого колебания, когда электрон ориентирован в одном направлении, а затем в другом», — объясняет Тревор Райт, аспирант Калифорнийского университета в Боулдере и соавтор статьи в Наука изложение результатов.

Вместо того, чтобы изучать электрон сам по себе, исследователи отслеживают частоту прецессии электрона внутри молекулярных ионов фторида гафния (HfF+). Внутреннее электрическое поле этих ионов делает разницу частот намного больше, и, удерживая ионы в ловушке, исследователи смогли измерить прецессию электрона в течение трех секунд, объясняет Тревор. Действительно, исследователи настолько хорошо контролировали молекулы, что смогли измерить частоту прецессии с точностью до десятков µГц.

После 620 часов сбора данных, в течение которых исследователи изменили несколько экспериментальных параметров для исследования и уменьшения систематических ошибок, они снизили верхний предел электронного ЭДМ до 4.1×10.-30 е см. Это в 37 раз меньше их предыдущего измерения и в 2.4 раза меньше предыдущего лучшего предела.

Давид против Голиафа; eEDM против LHC

Новое ограничение противоречит предсказаниям для eEDM, сделанным некоторыми расширениями Стандартной модели, такими как расщепленная суперсимметрия (split SUSY) и теория великого объединения со спином 10, хотя предыдущее ограничение уже отклонило их. Как объясняет член группы Люк Колдуэлл, постдокторант из CU-Boulder: «Обычно прогнозируемый размер eEDM обратно пропорционален энергетическому масштабу предлагаемой новой физики, поэтому более точные измерения физики зонда eEDM при все более высоких энергиях Весы. Наши измерения налагают ограничения на новую физику на энергетических масштабах в десятки ТэВ, что находится далеко за пределами досягаемости коллайдеров частиц, таких как БАК». Это делает маловероятным существование новых частиц ниже этих энергий.

Многие исследователи, в том числе команда из Боулдера, настаивают на еще большем снижении предела. «В следующем поколении эксперимента eEDM будет использоваться другая молекула — фторид тория. Эта молекула по своей природе более чувствительна к eEDM», — говорит Колдуэлл, добавляя, что они смогут измерить прецессию ее электронов в течение 10-20 секунд. «Прототип этого нового аппарата уже запущен и работает, улавливая ионы и регистрируя первые прецессии электронов».

Отметка времени:

Больше от Мир физики