Фізики вимірюють електричний дипольний момент електрона з безпрецедентною точністю – Physics World

Фізики вимірюють електричний дипольний момент електрона з безпрецедентною точністю – Physics World

Мітка часу: 22 серпня 2023 р., 8:00

Фото вакуумної камери та іншого експериментального обладнання, що використовується для вимірювання eEDM
Моніторинг прецесії: Дослідники виміряли електричний дипольний момент електрона в іонах фториду гафнію, ув’язнених в іонній пастці. (З дозволу: Кейсі Кесс/Університет Колорадо)

Фізики з Університету Колорадо, Боулдер, США, визначили форму розподілу заряду електрона з безпрецедентною точністю. На чолі з Ерік Корнелл та Джун Є, команда виявила, що будь-який дисбаланс у цьому розподілі заряду – електричний дипольний момент електрона, або eEDM – має бути менше 4.1 x 10-30 e см, з невизначеністю 2.1×10-30 e см. Ця точність еквівалентна вимірюванню розміру Землі з точністю до розмірів вірусу, і результат має важливі наслідки для пошуку нових частинок за межами Стандартної моделі.

Один із способів шукати нові частинки — робити це напряму, збиваючи відомі частинки разом у великих прискорювачах частинок, таких як Великий адронний колайдер (LHC), при дедалі зростаючих енергіях. Альтернатива полягає в тому, щоб зробити це опосередковано, шукаючи сигнальні ознаки нових частинок у розподілі заряду електрона. Це метод, який використовувала команда CU-Boulder, і він дозволяє проводити пошук на лабораторному столі.

Симетрія Всесвіту, відображена в електроні

Електрон має магнітний момент завдяки своєму спіну, і його можна розглядати як обертовий заряд, що створює магнітний диполь. Навпаки, електричний дипольний момент (EDM) може виникнути лише в тому випадку, якщо розподіл заряду електрона трохи спотворено. Наявність такого викривлення означатиме, що електрон більше не підкоряється симетрії зворотного часу, що є фундаментальною вимогою, згідно з якою фізика залишається однаковою незалежно від того, тече час вперед чи назад.

Щоб зрозуміти, чому ця симетрія буде порушена, подумайте, що станеться, якщо час перевернеться. Тоді електрон обертатиметься у протилежну сторону, і напрямок його магнітного моменту зміниться. Однак eEDM є результатом постійного спотворення заряду, тому він залишиться незмінним. Це проблема, тому що якщо ми починаємо з паралельних моментів, інверсія часу призводить до того, що вони будуть антипаралельними, порушуючи часову симетрію.

Стандартна модель – найкраща на даний момент основа для сил і частинок, які утворюють Всесвіт – допускає лише дуже невелике порушення симетрії часу, тому вона передбачає, що електричний дипольний момент електрона не може перевищувати ~10-36 e см. Це надто мало, щоб його можна було експериментально перевірити навіть за допомогою сучасного обладнання.

Однак розширення Стандартної моделі, такі як суперсиметрія, передбачають існування багатьох нових частинок з енергіями, вищими за будь-які відкриті досі. Ці нові частинки будуть взаємодіяти з електроном, щоб дати йому набагато більший eEDM. Таким чином, пошук ненульового eEDM є пошуком нової фізики за межами Стандартної моделі та пошуком «маркера» нових частинок.

Молекулярні іони допомагають виміряти eEDM

Щоб виміряти eEDM, дослідники CU-Boulder виявляють, як електрон коливається в зовнішньому магнітному та електричному полі. Це коливання, або прецесія, схоже на обертання гіроскопа в гравітаційному полі. Коли електрон поміщається всередину магнітного поля, він буде прецесувати з певною частотою завдяки своєму магнітному моменту. Якщо електрон також має EDM, застосування електричного поля змінить цю швидкість прецесії: якщо електрон орієнтований в одному напрямку відносно електричного поля, частота прецесії прискориться; якщо він «вказує» в іншому напрямку, швидкість сповільниться.

«Ми можемо визначити eEDM, вимірявши різницю частот цього коливання, коли електрон орієнтований в одному напрямку, а потім — у іншому», — пояснює. Тревор Райт, докторант CU-Boulder і співавтор статті в наука окреслення результатів.

Замість того, щоб вивчати електрон сам по собі, дослідники відстежують частоту прецесії електрона всередині молекулярних іонів фториду гафнію (HfF+). Внутрішнє електричне поле цих іонів робить різницю частот набагато більшою, і, утримуючи іони в пастці, дослідники змогли виміряти прецесію електрона протягом трьох секунд, пояснює Тревор. Дійсно, дослідники мали такий хороший контроль над молекулами, що змогли виміряти частоту прецесії з точністю до десятків µГц.

Після 620 годин збору даних, під час яких дослідники змінювали численні експериментальні параметри, щоб дослідити та зменшити систематичні помилки, вони зменшили верхню межу електронного електророзміру до 4.1×10-30 e см. Це в 37 разів менше, ніж їхні власні попередні вимірювання, і в 2.4 рази менше, ніж попередня найкраща межа.

Давид проти Голіафа; eEDM проти LHC

Нове обмеження суперечить прогнозам для eEDM, зробленим деякими розширеннями Стандартної моделі, такими як розщеплена суперсиметрія (split SUSY) і спін-10 великої уніфікованої теорії, хоча попереднє обмеження вже відкинуло їх. Як пояснює член команди Люк Колдуелл, докторант CU-Boulder: «Зазвичай прогнозований розмір eEDM масштабується обернено до енергетичної шкали запропонованої нової фізики, а отже, точніші вимірювання фізики eEDM зонда при все вищій і вищій енергії ваги. Наші вимірювання накладають обмеження на нову фізику на енергетичних масштабах у десятки ТеВ, далеко за межами досяжності коллайдерів частинок, таких як LHC». Це робить малоймовірним існування нових частинок із меншою енергією.

Багато дослідників, включаючи команду в Боулдері, наполягають на тому, щоб знизити цей ліміт ще більше. «Наступне покоління експерименту eEDM використовуватиме іншу молекулу, фторид торію. Ця молекула за своєю суттю більш чутлива до eEDM», — говорить Колдуелл, додаючи, що вони повинні мати можливість вимірювати її прецесію електронів протягом 10-20 секунд. «Прототип цього нового апарату вже запущений і працює, вловлюючи іони та записуючи перші прецесії електронів».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики