物理学者が電子の電気双極子モーメントを前例のない精度で測定

米国ボルダーにあるコロラド大学の物理学者は、電子の電荷分布の形状を前例のない精度で決定しました。 Eric Cornell と Jun Ye が率いるチームは、この電荷分布の不均衡 (電子の電気双極子モーメント、つまり eEDM) は 4.1 × 10-30 e cm 未満であり、不確実性は 2.1 × 10-30 e cm 未満でなければならないことを発見しました。 cm。 この精度は、地球の大きさをウイルスの寸法内で測定するのと同等であり、この結果は、標準モデルを超える新しい粒子の探索において重要な意味を持ちます。

新しい粒子を探す 1 つの方法は、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) などの大型粒子加速器で、エネルギーを増大させながら既知の粒子を衝突させることによって直接行うことです。 別の方法は、電子の電荷分布の中で新しい粒子の明らかな兆候を探すことによって間接的に行うことです。 これは CU-Boulder チームが採用した方法であり、研究室の卓上で検索を実行できるようになります。

電子はそのスピンにより磁気モーメントを持ち、磁気双極子を生成する回転電荷と考えることができます。 対照的に、電気双極子モーメント (EDM) は、電子の電荷分布がわずかに歪んでいる場合にのみ発生します。 このような歪みの存在は、電子がもはや時間反転対称性に従っていないことを意味します。これは、時間が順方向に流れても逆方向に流れても物理学が同じであるという基本的な要件です。

この対称性が破られる理由を理解するには、時間が逆転したら何が起こるかを考えてみましょう。 すると電子は逆向きに回転し、磁気モーメントの方向が反転します。 ただし、eEDM は永久的な電荷歪みの結果であるため、変化しないままになります。 これは問題です。なぜなら、両方の瞬間が平行な状態で開始すると、時間の反転によってそれらが逆平行になり、時間の対称性が損なわれるからです。

標準モデル (宇宙を構成する力と粒子に関する現在の最良の枠組み) では、非常に少量の時間対称性の破れしか許容されないため、電子の電気双極子モーメントは ~10-36 e を超えることはできないと予測されています。 cm。 これは、現在の最先端の装置を使っても実験的にテストするには小さすぎます。

しかし、超対称性などの標準模型の拡張により、これまでに発見された粒子よりも高いエネルギーで多くの新しい粒子の存在が予測されます。 これらの新しい粒子は電子と相互作用して、より大きな eEDM を生成します。 したがって、非ゼロ eEDM の探索は、標準モデルを超えた新しい物理の探索であり、新しい粒子の「マーカー」の探索です。

eEDM を測定するために、CU-Boulder の研究者たちは、電子が外部の磁場と電場の中でどのように揺れるかを検出しました。 このぐらつき、または歳差運動は、重力場におけるジャイロスコープの回転に似ています。 電子が磁場の中に置かれると、その磁気モーメントのおかげで特定の周波数で歳差運動をします。 電子も EDM を持っている場合、電場を加えるとこの歳差運動の速度が変化します。電子が電場に対して一方向に向いている場合、歳差運動の周波数は速くなります。 他の方向を「指している」場合、速度は遅くなります。

「電子が一方向に向いた状態で一度、電子がもう一方の方向に向いた状態で、このぐらつきの周波数差を測定することで、eEDM を決定することができます」と、CU-Boulder の博士課程の学生であり、この論文の共著者である Trevor Wright 氏は説明します。結果を概説したサイエンス誌の論文。

研究者らは、電子を単独で研究するのではなく、フッ化ハフニウム分子イオン (HfF+) 内の電子の歳差運動周波数を監視しています。 これらのイオンの内部電場により周波数の差がはるかに大きくなり、イオンをトラップに閉じ込めることで、研究者らは電子の歳差運動を最大 3 秒間測定することができたとトレバー氏は説明します。 実際、研究者らは分子を非常にうまく制御しており、歳差運動周波数を数十μHzの精度で測定することができた。