นักฟิสิกส์วัดโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอิเล็กตรอนด้วยความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน - Physics World

นักฟิสิกส์วัดโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอิเล็กตรอนด้วยความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน - Physics World

Time Stamp: 22 สิงหาคม 2023 8:00

ภาพถ่ายห้องสุญญากาศและอุปกรณ์ทดลองอื่นๆ ที่ใช้ในการวัด eEDM
การตรวจสอบ precession: นักวิจัยได้วัดโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในไอออนแฮฟเนียมฟลูออไรด์ที่ถูกกักขังอยู่ภายในกับดักไอออน (เอื้อเฟื้อโดย: Casey Cass/มหาวิทยาลัยโคโลราโด)

นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ สหรัฐอเมริกา ได้กำหนดรูปร่างของการกระจายประจุของอิเล็กตรอนให้มีความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน นำโดย เอริค คอร์เนล และ จุน เย่ทีมงานพบว่าความไม่สมดุลในการกระจายประจุนี้ (โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหรือ eEDM) ต้องน้อยกว่า 4.1 x 10-30 e cm โดยมีค่าความไม่แน่นอน 2.1×10-30 อี ซม. ความแม่นยำนี้เทียบเท่ากับการวัดขนาดของโลกภายในมิติของไวรัส และผลลัพธ์ที่ได้มีนัยสำคัญในการค้นหาอนุภาคใหม่นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน

วิธีหนึ่งในการค้นหาอนุภาคใหม่คือการทำมันโดยตรง โดยการทุบอนุภาคที่รู้จักเข้าด้วยกันในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ด้วยพลังงานที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ อีกทางเลือกหนึ่งคือการทำทางอ้อมโดยมองหาสัญญาณบอกเล่าของอนุภาคใหม่ในการกระจายประจุของอิเล็กตรอน นี่เป็นวิธีการที่ทีมงาน CU-Boulder ใช้ และช่วยให้สามารถดำเนินการค้นหาบนโต๊ะในห้องปฏิบัติการได้

ความสมมาตรของจักรวาลสะท้อนอยู่ในอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนมีโมเมนต์แม่เหล็กเนื่องจากการหมุนของมัน และถือได้ว่าเป็นประจุที่หมุนได้ซึ่งสร้างไดโพลแม่เหล็ก ในทางตรงกันข้าม โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า (EDM) อาจเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อการกระจายประจุของอิเล็กตรอนบิดเบี้ยวเล็กน้อย การมีอยู่ของการบิดเบือนดังกล่าวจะหมายความว่าอิเล็กตรอนไม่เป็นไปตามสมมาตรการกลับเวลาอีกต่อไป ซึ่งเป็นข้อกำหนดพื้นฐานที่ว่าฟิสิกส์จะเหมือนกันไม่ว่าเวลาจะไหลไปข้างหน้าหรือข้างหลัง

เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดความสมมาตรนี้จึงถูกละเมิด ให้พิจารณาว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเวลาย้อนกลับ อิเล็กตรอนจะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามและทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กจะพลิกกลับ อย่างไรก็ตาม eEDM เป็นผลมาจากการบิดเบือนประจุอย่างถาวร ดังนั้นจึงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นี่เป็นปัญหา เพราะหากเราเริ่มต้นด้วยโมเมนต์ทั้งสองขนานกัน การกลับเวลาจะทำให้โมเมนต์ตรงกันข้ามและละเมิดความสมมาตรของเวลา

แบบจำลองมาตรฐานซึ่งเป็นกรอบที่ดีที่สุดในปัจจุบันสำหรับแรงและอนุภาคที่ประกอบกันเป็นจักรวาล ทำให้เกิดการละเมิดสมมาตรของเวลาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้นจึงคาดการณ์ว่าโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอิเล็กตรอนจะต้องไม่เกิน ~10-36 อี ซม. ซึ่งถือว่าน้อยเกินไปที่จะทดสอบได้แม้จะใช้อุปกรณ์ที่ล้ำสมัยในปัจจุบันก็ตาม

อย่างไรก็ตาม การขยายไปสู่แบบจำลองมาตรฐาน เช่น สมมาตรยิ่งยวดทำนายการมีอยู่ของอนุภาคใหม่จำนวนมากที่มีพลังงานสูงกว่าที่ค้นพบใดๆ จนถึงปัจจุบัน อนุภาคใหม่เหล่านี้จะโต้ตอบกับอิเล็กตรอนเพื่อให้ eEDM มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก ดังนั้นการค้นหา eEDM ที่ไม่เป็นศูนย์จึงเป็นการค้นหาฟิสิกส์ใหม่ๆ นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน และการตามล่าหา "เครื่องหมาย" ของอนุภาคใหม่

ไอออนโมเลกุลช่วยวัด eEDM

ในการวัด eEDM นักวิจัยของ CU-Boulder จะตรวจพบว่าอิเล็กตรอนโยกเยกในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าภายนอกอย่างไร การโยกเยกหรือการหมุนวนนี้คล้ายกับการหมุนของไจโรสโคปในสนามโน้มถ่วง เมื่ออิเล็กตรอนถูกวางในสนามแม่เหล็ก มันจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความถี่เฉพาะเนื่องจากโมเมนต์แม่เหล็กของมัน หากอิเล็กตรอนมี EDM ด้วย การใช้สนามไฟฟ้าจะเปลี่ยนอัตราการนำหน้า: หากอิเล็กตรอนมีทิศทางเดียวเทียบกับสนามไฟฟ้า ความถี่ของการเคลื่อนที่ล่วงหน้าจะเร็วขึ้น หากมัน “ชี้” ไปในทิศทางอื่น อัตราก็จะช้าลง

"เราสามารถระบุ eEDM ได้โดยการวัดความแตกต่างของความถี่ของการโยกเยกนี้ โดยครั้งแรกที่อิเล็กตรอนหันไปในทิศทางเดียวและอีกครั้งในทิศทางอื่น" อธิบาย เทรเวอร์ ไรท์นักศึกษาปริญญาเอกที่ CU-Boulder และผู้ร่วมเขียนบทความใน วิทยาศาสตร์ สรุปผลลัพธ์

แทนที่จะศึกษาอิเล็กตรอนเพียงอย่างเดียว นักวิจัยจะตรวจสอบความถี่ precession ของอิเล็กตรอนภายในไอออนโมเลกุลของแฮฟเนียมฟลูออไรด์ (HfF+) สนามไฟฟ้าภายในของไอออนเหล่านี้ทำให้ความแตกต่างของความถี่มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก และด้วยการจำกัดไอออนไว้ในกับดัก นักวิจัยจึงสามารถวัดการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนได้นานถึงสามวินาที Trevor อธิบาย อันที่จริง นักวิจัยสามารถควบคุมโมเลกุลได้ดีจนสามารถวัดความถี่พรีเซสชั่นได้แม่นยำถึงสิบเท่า µเฮิร์ตซ์

หลังจากการรวบรวมข้อมูลเป็นเวลา 620 ชั่วโมง ในระหว่างนั้นนักวิจัยได้เปลี่ยนพารามิเตอร์การทดลองหลายตัวเพื่อตรวจสอบและลดข้อผิดพลาดที่เป็นระบบ พวกเขาได้ลดขีดจำกัดบนของอิเล็กตรอน EDM ลงเหลือ 4.1×10-30 อี ซม. ซึ่งเล็กกว่าการวัดครั้งก่อนของพวกเขาถึง 37 เท่า และเล็กกว่าขีดจำกัดที่ดีที่สุดก่อนหน้าถึง 2.4 เท่า

เดวิดกับโกลิอัท; eEDM กับ LHC

ขีดจำกัดใหม่ขัดแย้งกับการคาดการณ์ eEDM ที่ทำโดยส่วนขยายบางส่วนจากโมเดลมาตรฐาน เช่น split supersymmetry (split SUSY) และ spin-10 grand unified theory แม้ว่าขีดจำกัดก่อนหน้านี้ได้ยกนิ้วให้แล้วก็ตาม ในฐานะสมาชิกในทีม Luke Caldwell นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ CU-Boulder อธิบายว่า "โดยทั่วไปขนาดที่คาดการณ์ไว้ของ eEDM จะแปรผกผันกับระดับพลังงานของฟิสิกส์ใหม่ที่เสนอ และการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นของฟิสิกส์ของโพรบ eEDM ที่พลังงานที่สูงขึ้นและสูงขึ้น ตาชั่ง การวัดของเรามีข้อจำกัดเกี่ยวกับฟิสิกส์ใหม่ๆ ในระดับพลังงานที่สิบ TeV ซึ่งอยู่นอกเหนือการเข้าถึงของเครื่องชนอนุภาคเช่น LHC” ทำให้ไม่น่าเป็นไปได้ที่อนุภาคใหม่จะอยู่ต่ำกว่าพลังงานเหล่านี้

นักวิจัยหลายคน รวมทั้งทีมงานที่โบลเดอร์ กำลังพยายามลดขีดจำกัดลงไปอีก “การทดลอง eEDM รุ่นต่อไปจะใช้ทอเรียมฟลูออไรด์โมเลกุลที่แตกต่างกัน โมเลกุลนี้มีความไวต่อ eEDM มากกว่าโดยธรรมชาติ” Caldwell กล่าว พร้อมเสริมว่าควรจะสามารถวัด precession ของอิเล็กตรอนได้เป็นเวลา 10-20 วินาที “ต้นแบบของอุปกรณ์ใหม่นี้เริ่มทำงานแล้ว โดยดักจับไอออนและบันทึกการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนครั้งแรก”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์