Các nhà vật lý đo mômen lưỡng cực điện của electron tới độ chính xác chưa từng có

Các nhà vật lý đo mômen lưỡng cực điện của electron tới độ chính xác chưa từng có

Dấu thời gian: 22:2023 sáng ngày 8 tháng 00 năm XNUMX

Hình ảnh buồng chân không và thiết bị thí nghiệm khác dùng để đo eEDM
Giám sát tiến động: Các nhà nghiên cứu đã đo mômen lưỡng cực điện của electron trong các ion hafnium florua bị giam giữ trong bẫy ion. (Được phép: Casey Cass/Đại học Colorado)

Các nhà vật lý tại Đại học Colorado, Boulder, Mỹ vừa xác định được hình dạng phân bố điện tích của electron với độ chính xác chưa từng có. Do Eric Cornell và tháng sáu, đội nghiên cứu nhận thấy bất kỳ sự mất cân bằng nào trong sự phân bố điện tích này – mômen lưỡng cực điện của electron, hay eEDM – đều phải nhỏ hơn 4.1 x 10-30 e cm, với sai số 2.1×10-30 và cmt. Độ chính xác này tương đương với việc đo kích thước của Trái đất trong kích thước của một con virus và kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm kiếm các hạt mới ngoài Mô hình Chuẩn.

Một cách để tìm kiếm các hạt mới là thực hiện nó một cách trực tiếp, bằng cách đập các hạt đã biết lại với nhau trong các máy gia tốc hạt lớn như Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở mức năng lượng ngày càng tăng. Cách khác là thực hiện điều đó một cách gián tiếp, bằng cách tìm kiếm các dấu hiệu nhận biết của các hạt mới trong sự phân bố điện tích của electron. Đây là phương pháp mà nhóm CU-Boulder đã sử dụng và nó cho phép việc tìm kiếm được thực hiện trên mặt bàn trong phòng thí nghiệm.

Sự đối xứng của vũ trụ, được phản chiếu trong một electron

Electron có mômen từ do spin của nó và có thể được coi như một điện tích quay tạo ra một lưỡng cực từ. Ngược lại, mômen lưỡng cực điện (EDM) chỉ có thể xảy ra nếu sự phân bố điện tích của electron bị biến dạng một chút. Sự có mặt của một sự biến dạng như vậy có nghĩa là electron không còn tuân theo sự đối xứng nghịch đảo thời gian nữa, đó là yêu cầu cơ bản rằng vật lý học vẫn như cũ dù thời gian chảy tới hay lùi.

Để hiểu tại sao sự đối xứng này bị vi phạm, hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu thời gian đảo ngược. Khi đó electron sẽ quay theo hướng ngược lại và hướng của mômen từ của nó sẽ bị đảo ngược. Tuy nhiên, eEDM là kết quả của sự biến dạng điện tích vĩnh viễn nên nó sẽ không thay đổi. Đây là một vấn đề, bởi vì nếu chúng ta bắt đầu với cả hai khoảnh khắc song song, thì sự đảo ngược thời gian sẽ dẫn đến việc chúng phản song song, vi phạm tính đối xứng thời gian.

Mô hình Chuẩn – khuôn khổ tốt nhất hiện nay cho các lực và hạt cấu tạo nên vũ trụ – chỉ cho phép vi phạm một lượng rất nhỏ đối xứng thời gian, do đó nó dự đoán rằng mômen lưỡng cực điện của electron không thể lớn hơn ~10-36 và cmt. Con số này quá nhỏ để có thể kiểm tra bằng thực nghiệm ngay cả với thiết bị hiện đại nhất.

Tuy nhiên, những phần mở rộng của Mô hình Chuẩn như siêu đối xứng dự đoán sự tồn tại của nhiều hạt mới ở mức năng lượng cao hơn bất kỳ hạt nào được phát hiện cho đến nay. Những hạt mới này sẽ tương tác với electron để tạo ra eEDM lớn hơn nhiều. Do đó, việc tìm kiếm một eEDM khác 0 là tìm kiếm vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn và săn lùng “điểm đánh dấu” của các hạt mới.

Các ion phân tử giúp đo eEDM

Để đo eEDM, các nhà nghiên cứu CU-Boulder phát hiện cách một electron dao động trong từ trường và điện trường bên ngoài. Sự dao động hay tuế sai này tương tự như chuyển động quay của con quay hồi chuyển trong trường hấp dẫn. Khi một electron được đặt bên trong từ trường, nó sẽ tiến động ở một tần số xác định nhờ mômen từ của nó. Nếu electron cũng có EDM thì việc tác dụng một điện trường sẽ làm thay đổi tốc độ tuế sai này: nếu electron định hướng theo một hướng so với điện trường thì tần số tuế sai sẽ tăng lên; nếu nó “chỉ” theo hướng khác thì tốc độ sẽ chậm lại.

“Chúng tôi có thể xác định eEDM bằng cách đo sự chênh lệch tần số của sự dao động này, một lần với electron định hướng theo một hướng và một lần nữa với nó theo hướng khác,” giải thích Trevor Wright, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại CU-Boulder và đồng tác giả của bài báo trên Khoa học phác thảo các kết quả.

Thay vì nghiên cứu riêng một electron, các nhà nghiên cứu theo dõi tần số tiến động của một electron bên trong các ion phân tử hafnium fluoride (HfF+). Trevor giải thích, điện trường bên trong của các ion này làm cho sự chênh lệch tần số lớn hơn nhiều và bằng cách giam giữ các ion trong bẫy, các nhà nghiên cứu có thể đo được sự tiến động của electron trong tối đa ba giây. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã kiểm soát tốt các phân tử đến mức họ có thể đo tần số tuế sai với độ chính xác hàng chục lần. µHz

Sau 620 giờ thu thập dữ liệu, trong thời gian đó các nhà nghiên cứu đã thay đổi nhiều thông số thí nghiệm để điều tra và giảm sai số hệ thống, họ đã giảm giới hạn trên của EDM điện tử xuống 4.1×10-30 và cmt. Con số này nhỏ hơn 37 lần so với phép đo trước đó của chính họ và nhỏ hơn 2.4 lần so với giới hạn tốt nhất trước đó.

David đấu với Goliath; eEDM và LHC

Giới hạn mới mâu thuẫn với các dự đoán cho eEDM được đưa ra bởi một số phần mở rộng của Mô hình Chuẩn, chẳng hạn như siêu đối xứng phân chia (tách SUSY) và lý thuyết thống nhất lớn spin-10, mặc dù giới hạn trước đó đã khiến chúng không được chấp nhận. Là thành viên nhóm Luke Caldwell, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại CU-Boulder, giải thích: “Thông thường, kích thước dự đoán của eEDM tỷ lệ nghịch với thang năng lượng của vật lý mới được đề xuất và do đó các phép đo chính xác hơn về vật lý thăm dò eEDM ở năng lượng ngày càng cao hơn quy mô. Phép đo của chúng tôi cung cấp những hạn chế về vật lý mới ở thang năng lượng hàng chục TeV, vượt xa tầm với của các máy va chạm hạt như LHC.” Điều này làm cho khó có khả năng các hạt mới tồn tại dưới mức năng lượng này.

Nhiều nhà nghiên cứu, bao gồm cả nhóm tại Boulder, đang cố gắng hạ thấp giới hạn hơn nữa. “Thế hệ tiếp theo của thí nghiệm eEDM sẽ sử dụng một phân tử khác, thori florua. Phân tử này vốn đã nhạy hơn với eEDM,” Caldwell nói và cho biết thêm rằng họ có thể đo được sự tiến động điện tử của nó trong 10-20 giây. “Một nguyên mẫu của thiết bị mới này đã sẵn sàng và đang hoạt động, bẫy các ion và ghi lại các tiến động điện tử đầu tiên.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý