Fiziki merijo električni dipolni moment elektrona do izjemne natančnosti – Svet fizike

Fiziki merijo električni dipolni moment elektrona do izjemne natančnosti – Svet fizike

Časovni žig: 22. avgust 2023 8:00

Fotografija vakuumske komore in drugih eksperimentalnih naprav, ki se uporabljajo za merjenje eEDM
Spremljanje precesije: Raziskovalci so izmerili električni dipolni moment elektronov v ionih hafnijevega fluorida, zaprtih v ionsko past. (Z dovoljenjem: Casey Cass/Univerza v Koloradu)

Fiziki z Univerze v Koloradu, Boulder, ZDA, so določili obliko porazdelitve naboja elektrona do izjemne natančnosti. Voden z Eric Cornell in Jun Ye, je skupina ugotovila, da mora biti kakršno koli neravnovesje v tej porazdelitvi naboja – električni dipolni moment elektrona ali eEDM – manjše od 4.1 x 10-30 e cm, z negotovostjo 2.1×10-30 e cm. Ta natančnost je enakovredna merjenju velikosti Zemlje do dimenzij virusa, rezultat pa ima pomembne posledice pri iskanju novih delcev izven standardnega modela.

Eden od načinov za iskanje novih delcev je, da to storite neposredno, tako da znane delce zdrobite skupaj v velikih pospeševalnikih delcev, kot je Large Hadron Collider (LHC), pri vedno večjih energijah. Druga možnost je, da to storimo posredno, tako da iščemo znake novih delcev v porazdelitvi naboja elektrona. To je metoda, ki jo je uporabila ekipa CU-Boulder in omogoča iskanje na laboratorijski mizi.

Simetrija vesolja, ki se zrcali v elektronu

Elektron ima magnetni moment zaradi vrtenja in si ga lahko predstavljamo kot vrteči se naboj, ki ustvarja magnetni dipol. Nasprotno pa se električni dipolni moment (EDM) lahko pojavi le, če je porazdelitev naboja elektrona rahlo popačena. Prisotnost takšnega izkrivljanja bi pomenila, da elektron ne upošteva več simetrije časovnega obrata, kar je temeljna zahteva, da je fizika enaka, ne glede na to, ali čas teče naprej ali nazaj.

Da bi razumeli, zakaj bi bila ta simetrija porušena, razmislite, kaj bi se zgodilo, če bi čas obrnil. Elektron bi se takrat zavrtel v nasprotno smer in smer njegovega magnetnega momenta bi se obrnila. eEDM pa je posledica trajnega popačenja naboja, zato bi ostal nespremenjen. To je težava, ker če začnemo z obema vzporednima momentoma, časovni preobrat povzroči, da sta antiparalelna, kar poruši časovno simetrijo.

Standardni model – trenutno najboljši okvir za sile in delce, ki sestavljajo vesolje – dovoljuje le zelo majhno količino kršitve časovne simetrije, zato predvideva, da električni dipolni moment elektrona ne sme biti večji od ~10-36 e cm. To je veliko premajhno, da bi ga bilo mogoče eksperimentalno preizkusiti tudi s trenutno najsodobnejšo opremo.

Vendar pa razširitve standardnega modela, kot je supersimetrija, napovedujejo obstoj številnih novih delcev pri energijah, višjih od vseh doslej odkritih. Ti novi delci bi medsebojno delovali z elektronom, da bi mu dali veliko večji eEDM. Iskanje neničelnega eEDM je torej iskanje nove fizike onkraj standardnega modela in lov na »marker« novih delcev.

Molekularni ioni pomagajo meriti eEDM

Za merjenje eEDM raziskovalci CU-Boulder zaznavajo, kako elektron niha v zunanjem magnetnem in električnem polju. To nihanje ali precesija je podobno vrtenju žiroskopa v gravitacijskem polju. Ko je elektron postavljen v magnetno polje, bo zaradi svojega magnetnega momenta precesiral pri določeni frekvenci. Če ima elektron tudi EDM, bo uporaba električnega polja spremenila to stopnjo precesije: če je elektron usmerjen v eno smer glede na električno polje, se bo frekvenca precesije pospešila; če "kaže" v drugo smer, se bo tečaj upočasnil.

"EEDM lahko določimo z merjenjem frekvenčne razlike tega nihanja, ko je elektron enkrat usmerjen v eno smer in drugič z njim v drugo," pojasnjuje. Trevor Wright, doktorski študent na CU-Boulder in soavtor prispevka v Znanost oris rezultatov.

Namesto da bi preučevali elektron sam, raziskovalci spremljajo precesijsko frekvenco elektrona znotraj molekularnih ionov hafnijevega fluorida (HfF+). Notranje električno polje teh ionov naredi frekvenčno razliko veliko večjo in z omejevanjem ionov v pasti so raziskovalci lahko izmerili precesijo elektrona do tri sekunde, pojasnjuje Trevor. Dejansko so imeli raziskovalci tako dober nadzor nad molekulami, da so lahko izmerili frekvenco precesije z natančnostjo desetin µHz

Po 620 urah zbiranja podatkov, med katerimi so raziskovalci spremenili več eksperimentalnih parametrov, da bi raziskali in zmanjšali sistematične napake, so znižali zgornjo mejo elektronskega EDM na 4.1 × 10-30 e cm. To je 37-krat manjše od njihove prejšnje meritve in 2.4-krat manjše od prejšnje najboljše meje.

David proti Goljatu; eEDM proti LHC

Nova omejitev je v nasprotju z napovedmi za eEDM, ki so jih naredile nekatere razširitve standardnega modela, kot sta razcepljena supersimetrija (razcepljena SUSY) in velika poenotena teorija spin-10, čeprav jim je prejšnja omejitev že dala palec navzdol. Kot pojasnjuje član ekipe Luke Caldwell, podoktorski raziskovalec na CU-Boulder: »Navadno je predvidena velikost eEDM v obratnem sorazmerju z energijsko lestvico predlagane nove fizike in tako natančnejše meritve fizike eEDM sonde pri vse višji energiji. luske. Naše meritve zagotavljajo omejitve za novo fiziko na energijskih lestvicah na desetine TeV, kar je daleč zunaj dosega trkalnikov delcev, kot je LHC.« Zaradi tega ni verjetno, da bi novi delci obstajali pod temi energijami.

Mnogi raziskovalci, vključno z ekipo v Boulderju, si prizadevajo še bolj znižati mejo. »Naslednja generacija eksperimenta eEDM bo uporabila drugačno molekulo, torijev fluorid. Ta molekula je sama po sebi bolj občutljiva na eEDM,« pravi Caldwell in dodaja, da bi morali biti sposobni izmeriti njeno precesijo elektronov za 10-20 s. "Prototip te nove naprave je že pripravljen in deluje, lovi ione in beleži prve precesije elektronov."

Časovni žig:

Več od Svet fizike