Fizikçiler elektronun elektrik dipol momentini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle ölçüyor - Fizik Dünyası

Fizikçiler elektronun elektrik dipol momentini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle ölçüyor - Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 22 Ağustos 2023 8:00 AM

eEDM'yi ölçmek için kullanılan vakum odasının ve diğer deneysel aparatların fotoğrafı
Presesyonun izlenmesi: Araştırmacılar, bir iyon tuzağı içinde hapsedilmiş hafniyum florür iyonlarındaki elektron elektrik dipol momentini ölçtüler. (Nezaket: Casey Cass/Colorado Üniversitesi)

ABD'nin Boulder kentindeki Colorado Üniversitesi'ndeki fizikçiler, elektronun yük dağılımının şeklini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle belirlediler. Liderliğinde Eric Cornell ve Haziran YeEkip, bu yük dağılımındaki herhangi bir dengesizliğin (elektronun elektrik dipol momenti veya eEDM) 4.1 x 10'dan az olması gerektiğini buldu.-30 e cm, 2.1×10 belirsizlikle-30 ecm. Bu kesinlik, Dünya'nın boyutunun bir virüsün boyutları dahilinde ölçülmesine eşdeğerdir ve sonuç, Standart Modelin ötesinde yeni parçacıkların araştırılmasında önemli çıkarımlara sahiptir.

Yeni parçacıklar aramanın bir yolu, bilinen parçacıkları Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) gibi büyük parçacık hızlandırıcılarında sürekli artan enerjilerde bir araya getirerek bunu doğrudan yapmaktır. Bunun alternatifi, elektronun yük dağılımındaki yeni parçacıkların işaretlerini arayarak bunu dolaylı olarak yapmaktır. Bu, CU-Boulder ekibinin kullandığı yöntemdir ve aramanın laboratuvar masasında yapılmasına olanak tanır.

Bir elektronda yansıtılan evrenin simetrisi

Elektronun dönüşü nedeniyle manyetik bir momenti vardır ve manyetik bir dipol oluşturan dönen bir yük olarak düşünülebilir. Buna karşılık, bir elektrik dipol momenti (EDM), yalnızca elektronun yük dağılımı biraz bozulduğunda meydana gelebilir. Böyle bir çarpıklığın varlığı, elektronun artık zamanın tersine çevrilmesi simetrisine uymadığı anlamına gelecektir; bu, zamanın ileri veya geri akıp akmadığının fiziğinin aynı olmasının temel şartıdır.

Bu simetrinin neden ihlal edildiğini anlamak için zamanın tersine çevrilmesi durumunda ne olacağını düşünün. Elektron daha sonra ters yönde dönecek ve manyetik momentinin yönü değişecektir. Ancak eEDM, kalıcı bir yük bozulmasının sonucudur, dolayısıyla değişmeden kalacaktır. Bu bir sorundur, çünkü her iki momenti de paralel olarak başlatırsak, zamanın tersine çevrilmesi onların antiparalel olmasına ve zaman simetrisini ihlal etmesine yol açar.

Evreni oluşturan kuvvetler ve parçacıklar için mevcut en iyi çerçeve olan Standart Model, yalnızca çok küçük miktarda zaman simetrisi ihlaline izin verir, dolayısıyla elektronun elektrik dipol momentinin ~10'dan fazla olamayacağını tahmin eder.-36 ecm. Bu, mevcut en son teknolojiye sahip ekipmanlarla bile deneysel olarak test edilemeyecek kadar küçüktür.

Bununla birlikte, Standart Model'in süpersimetri gibi uzantıları, şimdiye kadar keşfedilenlerden daha yüksek enerjilerdeki birçok yeni parçacığın varlığını öngörmektedir. Bu yeni parçacıklar elektronla etkileşime girerek ona çok daha büyük bir eEDM verecek. Dolayısıyla sıfır olmayan bir eEDM aramak, Standart Modelin ötesinde yeni bir fizik arayışı ve yeni parçacıkların bir "işaretçisinin" aranmasıdır.

Moleküler iyonlar eEDM'nin ölçülmesine yardımcı olur

CU-Boulder araştırmacıları eEDM'yi ölçmek için bir elektronun harici bir manyetik ve elektrik alanda nasıl yalpaladığını tespit ediyor. Bu yalpalama veya devinim, yerçekimi alanında bir jiroskopun dönüşüne benzer. Elektron manyetik alan içerisine yerleştirildiğinde manyetik momenti sayesinde belirli bir frekansta devinim yapacaktır. Elektronun da bir EDM'si varsa, bir elektrik alanı uygulamak bu devinim hızını değiştirecektir: eğer elektron elektrik alanına göre bir yönde yönlendirilirse, devinim frekansı hızlanacaktır; eğer diğer yönü "işaret ediyorsa" hız yavaşlayacaktır.

"Bu yalpalamanın frekans farkını ölçerek eEDM'yi belirleyebiliyoruz, elektron bir yönde yönlendirilmişken ve elektron diğer yöndeyken," diye açıklıyor Trevor WrightCU-Boulder'da doktora öğrencisi ve bir makalenin ortak yazarı Bilim sonuçları özetliyor.

Araştırmacılar, bir elektronu tek başına incelemek yerine, hafniyum florür moleküler iyonları (HfF+) içindeki bir elektronun devinim frekansını izliyor. Trevor, bu iyonların iç elektrik alanının frekans farkını çok daha büyük hale getirdiğini ve iyonları bir tuzakta hapsederek araştırmacıların elektronun devinimini üç saniyeye kadar ölçebildiğini açıklıyor. Aslında araştırmacılar moleküller üzerinde o kadar iyi bir kontrole sahipti ki, devinim frekansını onlarca kat hassasiyetle ölçebildiler. µHz.

Araştırmacıların sistematik hataları araştırmak ve azaltmak için birden fazla deneysel parametreyi değiştirdiği 620 saatlik veri toplamanın ardından, elektron EDM'deki üst sınırı 4.1×10'ya düşürdüler.-30 ecm. Bu, kendi önceki ölçümlerinden 37 kat, önceki en iyi limitten ise 2.4 kat daha küçük.

David, Goliath'a Karşı; eEDM ve LHC

Yeni sınır, bölünmüş süpersimetri (bölünmüş SUSY) ve spin-10 büyük birleşik teori gibi Standart Model'e yapılan bazı uzantılar tarafından yapılan eEDM tahminleriyle çelişiyor, ancak önceki sınır onlara zaten olumsuz yanıt vermişti. CU-Boulder'da doktora sonrası araştırmacı olan ekip üyesi Luke Caldwell'in açıkladığı gibi: "Genellikle eEDM'nin öngörülen boyutu, önerilen yeni fiziğin enerji ölçeğiyle ters orantılı olarak ölçeklenir ve böylece eEDM prob fiziğinin giderek daha yüksek enerjilerde daha hassas ölçümleri yapılır. terazi. Ölçümümüz, LHC gibi parçacık çarpıştırıcılarının ulaşamayacağı onlarca TeV düzeyindeki enerji ölçeklerinde yeni fizik üzerinde kısıtlamalar sağlıyor." Bu, bu enerjilerin altında yeni parçacıkların var olma ihtimalini ortadan kaldırıyor.

Boulder'daki ekip de dahil olmak üzere pek çok araştırmacı sınırı daha da düşürmek için çabalıyor. "eEDM deneyinin yeni nesli farklı bir molekül olan toryum florürü kullanacak. Bu molekül doğası gereği eEDM'ye karşı daha hassastır" diyor Caldwell ve elektron devinimini 10-20 saniye boyunca ölçebilmeleri gerektiğini ekliyor. "Bu yeni cihazın bir prototipi zaten çalışıyor ve çalışıyor, iyonları yakalıyor ve ilk elektron hareketlerini kaydediyor."

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası