物理学家以前所未有的精度测量电子电偶极矩 – 物理世界

物理学家以前所未有的精度测量电子电偶极矩 – 物理世界

时间戳：22年2023月8日00:XNUMX AM

用于测量 eEDM 的真空室和其他实验设备的照片
监测进动：研究人员测量了离子阱内氟化铪离子的电子电偶极矩。 （由凯西·卡斯/科罗拉多大学提供）

美国科罗拉多大学博尔德分校的物理学家以前所未有的精度确定了电子电荷分布的形状。 由...领着 埃里克·康奈尔 和 君夜，团队发现这种电荷分布的任何不平衡——电子的电偶极矩，或 eEDM——必须小于 4.1 x 10-30 e cm，不确定度为2.1×10-30 e 厘米。 这种精度相当于在病毒的尺寸范围内测量地球的大小，其结果对于寻找标准模型之外的新粒子具有重要意义。

寻找新粒子的一种方法是直接进行，即在大型粒子加速器（例如大型强子对撞机 (LHC)）中以不断增加的能量将已知粒子粉碎在一起。 另一种方法是间接地做到这一点，即在电子的电荷分布中寻找新粒子的迹象。 这是科罗拉多大学博尔德分校团队采用的方法，它允许在实验室桌面上进行搜索。

宇宙的对称性，反映在电子中

电子由于其自旋而具有磁矩，并且可以被认为是产生磁偶极子的旋转电荷。 相比之下，只有当电子的电荷分布稍微扭曲时才会出现电偶极矩（EDM）。 这种扭曲的存在意味着电子不再遵守时间反转对称性，这是无论时间向前还是向后流动，物理学都是相同的基本要求。

要理解为什么这种对称性会被破坏，请考虑如果时间倒转会发生什么。 然后，电子将以相反的方式旋转，其磁矩方向也会翻转。 然而，eEDM 是永久电荷畸变的结果，因此它将保持不变。 这是一个问题，因为如果我们从两个时刻平行开始，时间反转会导致它们反平行，违反时间对称性。

标准模型——目前构成宇宙的力和粒子的最佳框架——只允许非常少量的时间对称性破坏，因此它预测电子的电偶极矩不能超过~10-36 e 厘米。 即使使用当前最先进的设备，这个尺寸也太小而无法进行实验测试。

然而，标准模型的扩展（例如超对称性）预测存在许多能量高于迄今为止发现的任何能量的新粒子。 这些新粒子将与电子相互作用，使其产生更大的 eEDM。 因此，寻找非零 eEDM 就是寻找标准模型之外的新物理学，以及寻找新粒子的“标记”。

分子离子有助于测量 eEDM

为了测量 eEDM，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员检测电子在外部磁场和电场中如何摆动。 这种摆动或进动类似于重力场中陀螺仪的旋转。 当电子置于磁场内时，由于其磁矩，它将以特定频率进动。 如果电子也有 EDM，施加电场将改变进动速率：如果电子相对于电场沿一个方向定向，则进动频率会加快；如果电子相对于电场沿一个方向定向，则进动频率会加快；如果电子相对于电场沿一个方向定向，则进动频率会加快；如果电子相对于电场沿一个方向定向，则进动频率会加快。 如果它“指向”另一个方向，速度就会减慢。

“我们能够通过测量这种摆动的频率差来确定 eEDM，一次电子朝一个方向定向，另一次朝另一个方向定向，”解释道 特雷弗·赖特（Trevor Wright），科罗拉多大学博尔德分校的一名博士生，也是一篇论文的合著者 科学 概述结果。

研究人员不是单独研究电子，而是监测氟化铪分子离子 (HfF+) 内电子的进动频率。 特雷弗解释说，这些离子的内部电场使频率差变得更大，通过将离子限制在陷阱中，研究人员能够测量电子的进动长达三秒。 事实上，研究人员对分子的控制如此之好，以至于他们能够以数十倍的精度测量进动频率。 µ赫兹。

经过 620 小时的数据收集，研究人员改变了多个实验参数来研究和减少系统误差，他们将电子 EDM 的上限降低到 4.1×10-30 e 厘米。 这比他们之前的测量值小 37 倍，比之前的最佳限制小 2.4 倍。

大卫与歌利亚； eEDM 与 LHC

新的极限与标准模型的一些扩展（例如分裂超对称性（分裂 SUSY）和自旋 10 大统一理论）对 eEDM 的预测相矛盾，尽管之前的极限已经让他们不同意了。 正如团队成员、科罗拉多大学博尔德分校的博士后研究员 Luke Caldwell 所解释的那样：“通常，eEDM 的预测尺寸与所提出的新物理的能量尺度成反比，因此在越来越高的能量下对 eEDM 探针物理进行更精确的测量秤。 我们的测量为数十 TeV 能量尺度的新物理提供了限制，远远超出了大型强子对撞机等粒子对撞机的范围。​​” 这使得在这些能量之下不太可能存在新粒子。

包括博尔德团队在内的许多研究人员正在努力进一步降低这一限制。 “下一代 eEDM 实验将使用不同的分子，氟化钍。 这种分子本质上对 eEDM 更敏感。”Caldwell 说道，并补充说他们应该能够测量其电子进动 10-20 秒。 “这种新装置的原型已经启动并运行，捕获离子并记录第一次电子进动。”

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