Keputusan pertama percubaan ACME: momen elektrik dipole elektrik masih kosong • Igor Ivanov • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik, Pengesahan Model Standard

Keputusan pertama percubaan ACME: momen elektrik dipole elektrik masih kosong

Rajah. 1. Skim umum percubaan ACME untuk mengukur momen elektrik dipol elektron. Molekul ThO, yang disediakan dalam keadaan teruja khas, terbang ke ruang kerja dengan medan elektrik dan magnetik. Di bawah tindakan medan, mereka precess, dan sudut putaran putaran diukur dengan menggunakan sistem rakaman optik. Membandingkan sudut putaran ini untuk keadaan yang teruja yang berlainan, seseorang boleh mengeluarkan momentum dipole elektrik elektron. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Dalam majalah itu Sains Satu artikel diterbitkan dengan hasil pertama percubaan ACME untuk mengukur momen elektrik dipol elektron. Walaupun peningkatan ketepatan 12 kali ganda dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya, pengukuran masih menunjukkan hasil sifar dalam had ralat. Pengukuran ini dan lain-lain yang serupa mengenakan sekatan tambahan pada teori hipotesis dalam fizik zarah, dan dengan itu mereka melengkapkan kerja-kerja penjana tenaga tinggi.

Hari yang lain dalam majalah dalam talian majalah ini Sains Satu artikel muncul secara langsung berkaitan dengan sifat zarah-zarah asas dan microworld secara amnya.Di dalamnya, kerjasama ACME melaporkan hasil pertama eksperimen baru untuk diukur elektron dipol elektrik – ciri-ciri, yang telah lama menjadi objek kajian mendatar para ahli teori dan penguji. Berbanding dengan eksperimen generasi terdahulu, ralat dikurangkan dengan lebih daripada satu pesanan magnitud, tetapi hasilnya masih kekal sifar. Oleh itu, pengeksperimen hanya boleh menubuhkan had dari atas: jika ciri-ciri elektron ini berbeza dari sifar, ia mestilah kurang 8,7·10−29 e · cm. Sekatan terdahulu yang diterima oleh kumpulan penyelidikan lain dua tahun yang lalu dan dinyatakan dalam unit yang sama 105·10−29 e · cm – terdapat peningkatan hasil sebanyak 12 kali.

Agar maklumat kering ini diisi dengan makna, dan angka-angka menjadi nyata, anda perlu diberitahu terlebih dahulu apa yang dipole momentum elektrik dan mengapa ahli fizik cuba untuk mengukurnya, dan juga angka apa yang sesuai dengan apa.

Zarah zarah zarah elektrik

Caj elektrik merasakan medan elektrik luar dan mereka sendiri mewujudkan medan elektrik di sekeliling mereka.Semakin besar pertuduhan, semakin kuat bidang luaran dirasakan dan semakin kuat menjadi tersendiri. Tetapi walaupun jumlah tuduhan zarah adalah sifar, ini tidak bermakna ia tidak merasakan medan luaran dalam apa cara sekalipun – selepas semua, zarah yang dikenakan boleh diletakkan secara berbeza di dalam zarah neutral. Oleh itu, kebolehan elektrik zarah dicirikan bukan hanya dengan caj penuh, tetapi juga oleh kuantiti lain.

Masa dipol elektrik (EDM) – salah satunya. Nilai ini menerangkan perbezaan antara pembahagian zarah bercas positif dan negatif dalam zarah neutral komposit (Rajah 2). Jika semua yang positif ditarik ke satu titik dan yang sama dilakukan dengan yang negatif, kedua-dua "pusat" positivity dan negativity akan beralih relatif kepada satu sama lain. Oleh itu, EDM dicirikan bukan dengan nombor, sebagai caj, tetapi oleh vektor – ia diarahkan dari "pusat negativiti" kepada "pusat positiviti" dan sama besarnya dengan cas yang didarabkan dengan jarak antara pusat ini.

Rajah. 2 Satu sistem caj positif dan negatif boleh secara amnya neutral, tetapi ia boleh mempunyai momen elektrik dipol yang boleh dianggap sebagai vektor yang menyambungkan "pusat penolakan elektrik" dan "pusat positivity elektrik"

Semua ini agak sesuai untuk zarah dengan sifar penuh, tetapi terdiri daripada zarah-zarah yang dikenakan. Tetapi dalam berita kita bercakap tentang EDM elektron, iaitu, zarah berstruktur yang dikenakan. Ini boleh mengelirukan dengan dua cara sekaligus – ia tidak jelas apa yang akan menentukan momen dipole, dan ia tidak jelas apa jenis caj positif dan negatif yang anda boleh bercakap di sini.

Jawapan kedua-dua soalan adalah mudah. EDM zarah yang dibebankan menerangkan perbezaan antara pusat bayaran dan pusat bahan zarah (Rajah 3). Dan mereka berbeza kerana dalam teori bidang kuantum elektron sebenar bukan hanya bola mata; Sebaliknya, ia adalah "elektron sumber" ditambah awan zarah maya yang menyelubunginya. Ini disebabkan oleh penyimpangan awan ini bahawa pusat dakwat dan bahan elektron tidak perlu bertepatan dengan satu sama lain; Ini adalah sedikit perbezaan dan digambarkan sebagai momen elektrik dipole elektron secara keseluruhan.

Rajah. 3 Untuk zarah yang dibahagikan di ruang angkasa, masa dipol boleh ditentukan melalui perbezaan di antara "pusat caj" dan "pusat bahan". Dalam teori bidang kuantum, blur elektron ini sepadan dengan awan zarah maya pelbagai macam,yang membungkus elektron pada jarak pendek

Di sini adalah perlu untuk membuat kenyataan lain. Dan sekarang, selepas keputusan ACME, dan dua tahun yang lalu, apabila keputusan sebelumnya mengenai perubahan elektron EDM telah diterbitkan, media sains popular diisi dengan berita mengenai kajian-kajian ini. Dalam majoriti mesej-mesej ini, demi kejelasan, imej visual yang sama digunakan – "(tidak) bulat elektron". Kehadiran EDM di dalam zarah secara langsung berkaitan dengan bukan pekeliling elektron, dan fakta bahawa eksperimen menunjukkan nilai sifar EDM diformulasikan sebagai "ahli fizik membuktikan bahawa elektron adalah sempurna bulat."

"Bukan pekeliling elektron" adalah kaedah yang sangat malang untuk mempopularkan pencapaian ini. Sebahagiannya, ia datang dari fakta bahawa ahli fizik sendiri dalam jargon bercakap tentang elektron asimetrik, membayangkan sejenis pengagihan caj yang berkesan tanpa simetri sfera. Tetapi dalam media ia berubah menjadi imej yang jelas: elektron digambarkan sebagai bola kecil, tetapi agak nyata dengan sempadan yang jelas, hanya sedikit diratakan. Gambar ini bukan sahaja benar-benar salah (sebenarnya, walaupun dalam fizik klasik, perut tidak dicirikan oleh EDM,dan nilai yang sama sekali berbeza – momen quadrupole) – di samping itu, dalam pandangan pembaca, ia akhirnya menghapus jejak pemahaman bagaimana sifat tersebut boleh dikaitkan dengan kewujudan zarah asas lain atau interaksi mereka.

Marilah kita menekankan sekali lagi bahawa perumusan yang kemas adalah seperti berikut: mekanisme jisim elektron elektron menerangkan "kebolehan elektrik" tertentu, yang tidak dikurangkan kepada keupayaan caj titik. Sekiranya kita cuba menarik analogi visual di sini, maka lebih baik membayangkan awan zarah maya yang sedikit terdistorsi yang selalu mengiringi elektron dan dengan medan elektrik luaran juga berinteraksi, seperti di rajah. 3

Mengapa mengukur elektron EDM

Sekiranya kita mengurung diri kita hanya dengan apa yang boleh dipercayai tentang zarah-zarah asas – iaitu mengambil hanya zarah-zarah yang dimasukkan dalam Model Standard – maka elektron benar-benar harus mempunyai EDM yang tidak sifar. Tetapi ia akan menjadi sangat kecil, beratus-ratus juta kali lebih kecil daripada percubaan moden yang boleh dirasai. Ini kerana momen elektrik dipol elektron timbul hanya disebabkan oleh fenomena pelanggaran CP, dan dengan cara yang sangat rumit.

Tetapi sebaliknya, jika di dunia kita terdapat zarah-zarah yang baru, belum terbuka, walaupun ia berat, maka ia juga kadang-kadang boleh muncul dalam awan zarah maya dan sedikit mengubah sifatnya. Khususnya, mereka boleh membawa EDM lebih daripada standard. Oleh itu, terdapat satu lagi peluang untuk menguji banyak teori di luar Model Standard. Pemeriksaan kajian pelengkap jenis ini pada pelanggar moden, tetapi mereka sesuai untuk tugas dari pihak lain – bukan melalui tenaga ultrahigh, tetapi melalui ultrahigh kepekaan. Dan eksperimen seperti itu menjadi sensitif kerana nilai-nilai dari fizik atom dan spektroskopi diukur secara langsung di dalamnya – perkara-perkara yang fizik moden dapat dilakukan dengan tepat. Ini, dengan cara ini, bukanlah satu-satunya contoh hubungan seperti itu antara sifat halus zarah-zarah asas dan spektroskopi atom (lihat contoh lain dalam Pengajian Optik baru-baru ini membantu untuk mengkaji nuklei dengan halo neutron).

Carian Elektron Edm

Momen dipole elektrik diukur dalam unit caj yang didarabkan panjang seunit. Sebagai contoh, dalam cas elektron setiap sentimeter, e · cm.Dalam fizik atom, panjang semula jadi adalah saiz atom; oleh itu, molekul dengan ikatan kutub yang kuat mempunyai EDM pesanan 10−8 e · cm Walau bagaimanapun, unit pengukuran standard di sini ialah Debye, yang kira-kira lima kali kurang daripada nilai ini; contohnya, masa dipole bagi molekul air adalah 1.85 debay.

Kerana kenyataan bahawa interaksi yang lemah sedikit melanggar CP-simetri, dalam rangka Model Standard, moment dipol elektrik zarah masih muncul, tetapi sangat kecil. Untuk elektron, sebagai contoh, pengiraan memberikan nilai pesanan 10−40 e · cm, yang masih boleh didapat sepenuhnya oleh eksperimen moden. Dalam pelbagai teori di luar Model Standard, elektron EDM boleh dipertingkatkan dengan ketara. Sekiranya terdapat zarah-zarah yang baru dengan jisim urutan 1 TeV, berinteraksi dengan elektron dan membawa kepada pelanggaran CP yang signifikan, maka EDM elektron boleh mencapai nilai 10−26 e · cm Kesan zarah yang lebih berat akan menjadi lemah, dan di samping itu, ia akan terus melemahkan jika pelanggaran CP zarah-zarah ini tidak terlalu besar. Walau bagaimanapun, nilai-nilai perintah 10−26 e · cm dan ke bawah – ini adalah kawasan di mana pelbagai model baru memberikan ramalan.

Perlu dikatakan bahawa pengukuran elektron EDM lebih sukar untuk alasan apa. Pada tahun 1963, teorem terbukti bahawa, mengkaji sistem zarah yang tidak bersifat relativistik neutral, yang dipegang oleh kuasa-kuasa elektrostatik, adalah mustahil untuk didaftarkan sendiri EDM zarah-zarah ini disebabkan oleh kesan perisai. Sesungguhnya, dalam medan elektrik luaran, sistem ini dipolarisasi, medan elektrik yang diinduksi timbul di dalamnya, yang mengimbangi medan luaran, dan momen dipole elektrik hanya akan tidak berinteraksi dengan apa-apa. Semua carian untuk elektron EDM dijalankan secara tepat dalam atom neutral atau molekul, dan di sana kesan ini sangat penting. Oleh itu, untuk merasakan EDM, anda perlu mencari situasi di mana teorem ini tidak berfungsi. Untuk tujuan ini, molekul dengan atom berat, di mana elektron valens mendekati nukleus, sangat sesuai – kemudian menjadi relativistik sepenuhnya. Cesium, thallium, merkuri, plumbum, torium adalah contoh tipikal atom yang sesuai.

Bagi pencarian eksperimen, sebaik sahaja ahli fizik tahun 1950 mula bercakap mengenai kemungkinan pelanggaran CP, anggaran pertama dibuat,akibat daripada data spektroskopik atom yang terdapat pada masa itu. Batasan pada EDM elektron kemudian dibuat sederhana 10−13 e · cm Kemudian, pada tahun 1960-an, eksperimen khas telah dijalankan, dan dengan serta-merta batasannya bertambah baik oleh 10 pesanan magnitud hingga 10−23 e · cm dan kurang (Rajah 4). Kemajuan selanjutnya adalah lebih lambat, tetapi dengan peningkatan teknik eksperimen dan kemunculan idea-idea baru di kalangan penguji, batasan pada EDM elektron secara beransur-ansur meningkat. Dalam ukuran yang diterbitkan pada tahun 2002, ia sudah 1.6 · 10−27 e · cm, dan sejak itu hasilnya tidak berubah dengan ketara.

Rajah. 4 Sekatan-sekatan dari atas pada nilai momen elektrik dipole elektron, diperolehi dalam eksperimen yang berbeza dari 1958 hingga 2011 (bulatan biru). Hasil baru diperolehi dalam eksperimen ACME (bulatan merah), turun satu lagi pesanan. Imej dari E. D. Commins, 2012. Spin Electron dan Sejarahnya

Butiran eksperimen ACME

Skim am yang biasa untuk mengukur zarah zarah berpol elektrik yang lemah adalah seperti berikut. Zarah polarisasi melintasi kawasan di mana terdapat dua medan luaran selari, elektrik dan magnet.Zarah itu mempunyai momen magnetik (biasanya besar), dan – mungkin – dipole elektrik; kedua-duanya diarahkan di bahagian belakang zarah. Momen magnetik berinteraksi dengan medan magnet, elektrik – dengan elektrik; Kedua-dua interaksi ini menambahkan kesan biasa – precession (iaitu, putaran secara beransur-ansur) putaran dalam medan luaran. Kelajuan precession ini boleh ditentukan dengan mengukur sudut yang mana putaran berputar setelah melewati sebahagian medan (Rajah 5, di atas).

Rajah. 5 Putaran zarah dengan spin dan momen dipol semasa laluan segmen dengan medan elektrik dan magnet yang diarahkan bersama. Bergantung kepada sama ada kedua-dua bidang ini selari atau antiparallel, sudut putaran adalah berbeza, dan ini membolehkan mengukur momen pemolejarah elektrik zarah tersebut. Lingkaran dengan titik bermakna bidang itu diarahkan kepada kami ("anak panah"), lingkaran dengan salib – medan yang diarahkan dari kami ("anak panah ekor")

Kemudian anda perlu mengulangi eksperimen yang sama, memutarkan medan elektrik luaran ke arah yang bertentangan, iaitu, terhadap medan magnet (Rajah 5, di bawah). Kemudian kedua-dua kesan – magnet dan elektrik – tidak lagi menambah, tetapi dikurangkan dari satu sama lain, dan sudut putaran total akan berubah berbeza.Dengan mengukur perbezaan ini, adalah mungkin untuk mendaftarkan kesan medan elektrik, dan oleh itu, untuk mengekstrak nilai EDM zarah tersebut.

Untuk mengukur EDM elektron, dalam medan luar, ia bukan satu elektron tunggal yang dicetuskan, tetapi molekul neutral. Dalam eksperimen ACME, molekul torium dan molekul ThO yang disediakan terlebih dahulu dalam keadaan terpolarisasi teruja khas digunakan (Rajah 1). Dalam keadaan ini, molekul itu sendiri berorientasikan dengan tegas di sepanjang padang (Rajah 6a) atau tegas terhadap medan (Rajah 6b), tetapi spin elektron valens – dan akibatnya, putaran keseluruhan molekul – dalam kedua-dua kes ini diarahkan. Bagaimana untuk menyediakan keadaan sedemikian, kita tidak akan membincangkan; ini adalah kesemua seni manipulasi laser terhadap keadaan atom. Nah, maka semuanya berjalan mengikut corak yang sudah biasa. Dalam medan luaran, spin precesses, penguji mengukur sudut putaran untuk konfigurasi dalam Rajah. 6a dan ara. 6b, dan kemudian cari perbezaan di antara sudut-sudut ini. Ia akan berkadar dengan EDM elektron.

Rajah. 6 Dalam eksperimen ACME, molekul ThO dipindahkan ke keadaan teruja khas berorientasikan bersama atau terhadap medan luaran (angka a dan b). Dalam kes ini, medan elektrik molekul dalaman diserahkan, dan medan luaran tidak berubah.Keadaan elektron valensi dengan spin berorientasikan serenjang ke medan juga tidak berubah

Perhatikan perkara utama. Medan elektrik luaran diarahkan sama dalam Rajah. 6a dan b, ia tidak diserahkan. Tetapi untuk elektron, ia tidak penting, tetapi lebih kuat medan elektrik intramolekul Edalamanyang diarahkan dari ion torium positif ke ion oksigen yang dikenakan negatif. Ia ternyata apabila bergerak dari rajah. 6a hingga rajah. 6b. Bidang ini sangat besar, untuk ThO ia mencapai nilai kira-kira 1011 V / cm Dan apabila bidangnya besar, kesan kehadiran elektron EDM yang mungkin sangat dipertingkatkan. Luar seperti medan tenaga di makmal tidak mendapat, tetapi di dalam atom mereka tenang. Sebagai perbandingan, medan elektrik luaran, yang digunakan dalam ACME untuk memecah molekul, adalah berpuluh-puluh volt setiap sentimeter.

Akhirnya, ini adalah bidang intramolekul yang sangat besar, bersama-sama dengan ketidakpentingaan keadaan molekul yang dipilih ke medan magnet, yang membawa kepada percubaan ACME yang menunjukkan sensitiviti rekod ke EDM elektron.Seperti dalam mana-mana eksperimen pengukuran yang kompleks, terdapat banyak punca potensi kesilapan. Kerjasama ACME menguji banyak sumber seperti itu, mengulang pengalaman puluhan ribu kali dengan keadaan luaran yang berbeza. Tiada anomali yang dikesan, dan apabila purata semua keputusan, nilai EDM elektron diperoleh de = (−2,1 ± 3,7 ± 2,5)·10−29 e · cm, di mana kesilapan pertama dan kedua sesuai dengan kesilapan statistik dan sistematik. Nilai ini konsisten dengan sifar dalam kesilapan, oleh itu, penguji akhirnya menghasilkan hasil akhir – pada tahap kebolehpercayaan statistik 90 peratus daripada elektron EDM, modulus tidak melebihi 8.7 · 10−29 e · cm

Pengukuran ACME dengan serta-merta bertambah baik dengan suatu perintah magnitud hasil dekad yang lalu, ketika tampaknya kemajuan dalam hal ini telah berhenti (Gambar 4). Dan ini bukan batasnya. Di dalam ini dan dalam beberapa eksperimen lain yang sedang disediakan untuk pengukuran EDM dalam fizik, molekul akan mengurangkan kesilapan oleh satu atau dua pesanan magnitud yang lain. Sudah tentu, tiada siapa yang menjamin bahawa mereka akan menemui sesuatu yang pada dasarnya bukan sifar; tetapi jika "sifar" ini akan menahan nilai 10−30 e · cm, ini akan menjadi tamparan yang serius kepada banyak varian supersymmetry dan model lain – mungkin lebih serius daripada kurangnya berita menarik dari Large Hadron Collider. Bagaimanapun, dalam bidang fizik ini, kita berada di tahun-tahun akan datang yang menunggu kemas kini tetap rekod.

Sumber: Kerjasama ACME. Dipole Moment Perintah Elektron Magnitud | Sains. 2013. Penerbitan terdahulu dalam talian 19 Disember 2013; Artikel ini juga boleh didapati sebagai e-cetak arXiv: 1310.7534 [physics.atom-ph].

Lihat juga:
J. J. Hudson, D.M. Kara, I.J. Smallman, B.E. Sauer, M.R. Tarbutt, E.A. Hinds, Peningkatan ukuran elektron // Alam. 26 Mei 2011. V. 473. P. 493-496. – rekod sebelumnya mengenai ketepatan pengukuran momen elektrik dipole elektron.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: