Fysiker mäter det elektronelektriska dipolmomentet med oöverträffad precision – Physics World

Fysiker mäter det elektronelektriska dipolmomentet med oöverträffad precision – Physics World

Tidsstämpel: 22 augusti 2023 8:00

Foto av vakuumkammaren och andra experimentella apparater som används för att mäta eEDM
Övervakning av precession: Forskarna mätte det elektronelektriska dipolmomentet i hafniumfluoridjoner inneslutna i en jonfälla. (Med tillstånd: Casey Cass/University of Colorado)

Fysiker vid University of Colorado, Boulder, USA har bestämt formen på elektronens laddningsfördelning med oöverträffad precision. Ledd av Erik Cornell och Jun Ye, fann teamet att eventuell obalans i denna laddningsfördelning – elektronens elektriska dipolmoment, eller eEDM – måste vara mindre än 4.1 x 10-30 e cm, med en osäkerhet på 2.1×10-30 e cm. Denna precision motsvarar att mäta jordens storlek inom dimensionerna av ett virus, och resultatet har viktiga implikationer i sökandet efter nya partiklar bortom standardmodellen.

Ett sätt att leta efter nya partiklar är att göra det direkt, genom att slå ihop kända partiklar i stora partikelacceleratorer som Large Hadron Collider (LHC) vid ständigt ökande energier. Alternativet är att göra det indirekt, genom att leta efter kontrollanta tecken på nya partiklar i elektronens laddningsfördelning. Detta är metoden som CU-Boulder-teamet använde, och den gör att sökningen kan utföras på en laboratorieskiva.

Universums symmetri, speglad i en elektron

Elektronen har ett magnetiskt moment på grund av dess spinn, och kan ses som en roterande laddning som genererar en magnetisk dipol. Däremot kan ett elektriskt dipolmoment (EDM) bara uppstå om elektronens laddningsfördelning är något förvrängd. Förekomsten av en sådan förvrängning skulle innebära att elektronen inte längre följer tids-omkastningssymmetri, vilket är det grundläggande kravet att fysiken är densamma oavsett om tiden flyter framåt eller bakåt.

För att förstå varför denna symmetri skulle kränkas, överväg vad som skulle hända om tiden vände om. Elektronen skulle då snurra åt motsatt håll och riktningen för dess magnetiska moment skulle vända. eEDM är dock ett resultat av en permanent laddningsförvrängning, så den skulle förbli oförändrad. Detta är ett problem, för om vi börjar med båda momenten parallella leder en tidsomkastning till att de är antiparallella, vilket bryter mot tidssymmetri.

Standardmodellen – det nuvarande bästa ramverket för krafterna och partiklarna som utgör universum – tillåter bara en mycket liten mängd tidssymmetriöverträdelser, så den förutsäger att elektronens elektriska dipolmoment inte kan vara mer än ~10-36 e cm. Detta är alldeles för litet för att vara experimentellt testbart även med nuvarande toppmodern utrustning.

Men tillägg till standardmodellen som supersymmetri förutsäger förekomsten av många nya partiklar med högre energier än någon som hittills upptäckts. Dessa nya partiklar skulle interagera med elektronen för att ge den en mycket större eEDM. Att söka efter en icke-noll eEDM är därför ett sökande efter ny fysik bortom Standardmodellen och en jakt på en "markör" för nya partiklar.

Molekylära joner hjälper till att mäta eEDM

För att mäta eEDM upptäcker CU-Boulder-forskarna hur en elektron vinglar i ett externt magnetiskt och elektriskt fält. Denna wobble, eller precession, liknar rotationen av ett gyroskop i ett gravitationsfält. När en elektron placeras inuti ett magnetfält kommer den att precessera vid en specifik frekvens tack vare dess magnetiska moment. Om elektronen också har en EDM, kommer applicering av ett elektriskt fält att ändra denna precessionshastighet: om elektronen är orienterad i en riktning med avseende på det elektriska fältet, kommer precessionsfrekvensen att öka; om den "pekar" åt andra hållet kommer hastigheten att sakta ner.

"Vi kan bestämma eEDM genom att mäta frekvensskillnaden för denna wobble, en gång med elektronen orienterad i en riktning och igen med den i den andra," förklarar Trevor Wright, doktorand vid CU-Boulder och medförfattare till en uppsats i Vetenskap som beskriver resultaten.

Istället för att studera en elektron på egen hand, övervakar forskarna precessionsfrekvensen för en elektron inuti hafniumfluoridmolekylära joner (HfF+). Det interna elektriska fältet hos dessa joner gör frekvensskillnaden mycket större, och genom att begränsa jonerna i en fälla kunde forskarna mäta elektronens precession i upp till tre sekunder, förklarar Trevor. Faktum är att forskarna hade så god kontroll över molekylerna att de kunde mäta precessionsfrekvensen med en precision av tiotals µHz

Efter 620 timmars datainsamling, under vilken forskarna ändrade flera experimentella parametrar för att undersöka och minska systematiska fel, minskade de den övre gränsen för elektron-EDM till 4.1×10-30 e cm. Detta är 37 gånger mindre än deras egen tidigare mätning och 2.4 gånger mindre än den tidigare bästa gränsen.

David vs. Goliat; eEDM vs LHC

Den nya gränsen motsäger förutsägelser för eEDM som gjorts av vissa tillägg till standardmodellen, såsom split supersymmetri (split SUSY) och spin-10 grand unified theory, även om den tidigare gränsen redan hade gett dem en tummen ned. Som teammedlemmen Luke Caldwell, en postdoktor vid CU-Boulder, förklarar: "Typiskt är den förutsagda storleken på eEDM-skalan omvänt med energiskalan för den föreslagna nya fysiken och så mer exakta mätningar av eEDM-sondens fysik vid högre och högre energi vågar. Vår mätning ger begränsningar för ny fysik på energiskalor vid tiotals TeV, långt utom räckhåll för partikelkolliderare som LHC." Detta gör det osannolikt att nya partiklar existerar under dessa energier.

Många forskare, inklusive teamet på Boulder, driver på för att sänka gränsen ytterligare. "Nästa generation av eEDM-experimentet kommer att använda en annan molekyl, toriumfluorid. Denna molekyl är i sig mer känslig för eEDM, säger Caldwell och tillägger att de borde kunna mäta dess elektronprecession i 10-20s. "En prototyp av denna nya apparat är redan igång, fångar joner och registrerar de första elektronprecessionerna."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden