Az ACME kísérlet első eredményei: az elektron elektród dipólus pillanat még mindig nulla • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elements" -ről • Fizika, a standard modell ellenőrzése

Az ACME kísérlet első eredményei: az elektron-elektromos dipólus pillanat még mindig nulla

Ábra. 1. Az ACME kísérlet általános terve az elektron dipólus momentumának mérésére. A speciálisan gerjesztett állapotban előállított molekulák elektromos és mágneses mezőkkel a működési kamrába jutnak. A mezők mûködése közben megtörténnek, és a centrifugálás forgásszögét rögzítési optikai rendszerrel mérik. Összehasonlítva ezeket a forgási szöget különböző izgatott állapotok esetén, az elektrondon dipólus momentumot kivághatjuk. Kép a tárgyalt cikkből

A magazinban tudomány Egy cikket publikáltunk az ACME-kísérlet első eredményeiről az elektron dipólus momentumának méréséről. Annak ellenére, hogy az előző kísérletekhez viszonyítva 12-szeres javulást értek el, a mérések még mindig nulla eredményt mutatnak a hibahatáron belül. Ez és más hasonló mérések további korlátozásokat írnak elő a részecskefizika hipotetikus elméleteire, így kiegészítik a nagy energiájú robbantók munkáját.

A másik nap a magazin online számában tudomány Egy cikk közvetlenül megjelent az alapelemek és általában a mikrovilág tulajdonságaival kapcsolatban.Ebben az ACME együttműködés jelentése egy új kísérlet első eredményeit mérni egy elektron dipólus pillanatát – jellemzők, amelyek régóta a teoretikusok és kísérletezők alapos tanulmányozásának tárgyát képezik. Az előző generációk kísérleteivel összehasonlítva a hiba több mint egy nagyságrenddel csökken, de az eredmény még mindig nulla. Így a kísérletezők csak egy felső határértéket tudtak létrehozni: ha az elektron jellemzője eltér a nullától, abszolút értékben kisebbnek kell lennie 8,7·10−29 e · cm. Két évvel ezelőtt egy másik kutatócsoport által kapott és ugyanazon egységben kifejezett korábbi korlátozások 105·10−29 e · cm – az eredmények 12-szeres javulást mutatnak.

Annak érdekében, hogy ez a száraz információ tele legyen értelmével, és a számok kézzelfoghatóvá váljanak, először meg kell tudni, hogy mi az elektromos dipólus pillanat, és miért próbálják a fizikusok megmérni azt, és milyen számok felelnek meg.

A részecskék elektromos dipólus pillanata

Az elektromos töltések érzékelik a külső elektromos mezőt, és maguk is elektromos mezőt hoznak létre maguk körül.Minél nagyobb a töltés, annál erősebb a külső mező, és annál erősebb lesz a saját. De még ha a teljes feltöltés a részecske nulla, ez nem jelenti azt, hogy ő nem érzi a külső terület – ez lehet elhelyezni különböző töltésű részecskék semleges. Ezért a részecskék elektromos képességeit nemcsak a teljes töltés jellemzi, hanem más mennyiségeket is.

Elektromos dipólus pillanat (EDM) – egyikük. Ez az érték leírja a pozitív töltés és a negatív töltésű részecskék eloszlását a kompozit semleges részecske között (2. Ha az összes pozitív szerződött egy pont, és nem ugyanaz a negatív, akkor a két „központ” a pozitív és negatív tolódik egymáshoz képest. Ezért azzal jellemezve, az EDM nem szám, a töltés, a vektor – ellen irányuló „negativitás központ” a „Centre of pozitivitás” és modulo egyenlő a töltés szorozva a távolságot a központok.

Ábra. 2. A rendszer pozitív és negatív töltések lehetnek általában semlegesek, hanem egy elektromos dipólusnyomatékkal, ami lehet például egy vektor összekötő „elektromos negativitás Center” és a „Center of elektromos pozitivitás”

Mindez nagyon alkalmas teljesen feltöltés nélküli, de egyenként töltött részecskékből álló részecskékre. De a hírben az elektron EDM-ről beszélünk, azaz egy feltöltött strukturált részecskeről. Ez egyszerre kétféleképpen zavaros lehet – nem világos, hogy mi a dipólus pillanatának meghatározása, és nem világos, hogy milyen pozitív és negatív vádakról beszélhetünk itt.

A két kérdésre adott válasz egyszerű. A töltött részecske EDM leírja a különbséget töltés központ és anyagközpont szemcsék (3. És különböznek egymástól, mert a kvantumtérelméletben egy valódi elektron nem csak egy pontlabda; inkább a "forráselektron", valamint a virtuális részecskék felhője, amely körülveszi azt. Ez a felhő torzítása miatt az elektron töltés és anyagi középpontja nem szigorúan egybeesik egymással; Ez egy enyhe eltérés, és az elektron teljes dipólus momentumaként írható le.

Ábra. 3. A térben elosztott töltött részecske esetében a dipólus pillanat a "töltésközpont" és az "anyagközpont" közötti különbséggel határozható meg. A kvantumtérelméletben ez az elektron elmosódás megfelel a különböző típusú virtuális részecskék felhőjének,amely az elektronot rövid távolságokra köti össze

Itt meg kell tenni egy másik megjegyzést. És most, az ACME eredményei és két évvel ezelőtt, amikor az elektronmikroszkópos változás korábbi eredményei megjelentek, a népszerű tudományos média tele volt hírekkel ezekről a tanulmányokról. Az üzenetek túlnyomó többségében az egyértelműség kedvéért ugyanazt a vizuális képet alkalmazták – "(nem) az elektron kerekségét". Az EDM jelenléte egy részecskeben közvetlenül kapcsolódott az elektron körkörösségéhez, és az a tény, hogy a kísérlet az EDM nulla értékét mutatja, "a fizikusok bizonyították, hogy az elektron tökéletesen kerek".

"Az elektron nem kör alakúsága" nagyon szerencsétlen módszer ezeknek az eredményeknek a népszerűsítésére. Részben ez abból fakad, hogy a fizikusok a zsargonban aszimmetrikus elektronról beszélnek, és úgy gondolják, valamiféle hatékony töltéselosztást szférikus szimmetria nélkül. De a médiában teljesen világos képet alkotott: az elektronot egy kicsi, de valóban valódi gömbként ábrázolták, világosan meghatározott határral, csak kissé lapítva. Ez a kép nemcsak teljesen hibás (sőt, még a klasszikus fizikában is, az ívesedést nem jellemzi az EDM,és teljesen más érték – a kvadrupol pillanat) – ezenkívül az olvasó szerint végül törli azt a nyomot, hogy megértsük, hogy az ilyen tulajdonság hogyan társulhat más elemi részecskék létezéséhez vagy kölcsönhatásaihoz.

Ismét hangsúlyozzuk, hogy a tiszta formázás a következő: az elektron elektron-tömeg moduláció bizonyos "elektromos képességeket" ír le, amelyek nem korlátozódnak a ponttöltet képességeire. Ha itt vizuális analógiákat próbálunk vonzani, akkor jobb, ha elképzelni egy kicsit torzított virtuális részecskéket, amely mindig kíséri az elektront, és amellyel a külső elektromos mező kölcsönhatásba is ütközik. 3.

Miért mérjük az EDM elektronokat?

Ha csak az alapelemekre – vagyis azokra a részecskékre, amelyek a standard modellbe tartoznak – csak azokra a részecskékre támaszkodik, amelyek megbízhatóan ismertek, akkor az elektron valóban nem nulla EDM-nek kell lennie. De nagyon kicsi lesz, százmilliószor kisebb, mint amit a modern kísérletek képesek érezni. Ez azért van így, mert egy elektron dipólus pillanata csak a CP megsértésének jelensége és nagyon bonyolult módon merül fel.

Másrészt viszont, ha a mi világunkban vannak új, még nem nyitott részecskék, még ha nehéz is, akkor néha megjelenhetnek a virtuális részecskék felhőjében, és kicsit megváltoztatják tulajdonságait. Különösen az EDM-t sokkal többet tudják vezetni, mint a szabvány. Így van még egy lehetőség arra, hogy számos elméletet teszteljen a standard modellen túl. Az ilyen jellegű ellenőrzések kiegészítõ tanulmányokat végeznek a modern robbantóknál, de a másik oldalról alkalmasak – nem ultrahigh energiák, hanem ultrahigh érzékenység. És az ilyen kísérletek érzékenyebbé válnak, mivel az atomfizika és a spektroszkópia értékeit közvetlenül mérik bennük – amire a modern fizika nagy pontossággal képes. Ez egyébként nem az egyetlen példája az ilyen összefüggéseknek az elemi részecskék finom tulajdonságai és az atomi spektroszkópia között (lásd a közelmúltbeli Optikai Tanulmányok egy másik példáját, amely segít a magok neutronhalogénnel való tanulmányozásában).

Elektron Edm keresés

Az elektromos dipólus pillanatát egységnyi hosszúságban megnövelt töltési egységekben mérik. Például az elektron töltések centiméterenként, e · cm.Az atomi fizika esetében a természetes hossza atomméret; ezért egy erős poláris kötésű molekulának 10-es EDM-e van−8 e · cm Azonban a standard mértékegység itt a Debye, ami körülbelül ötször kisebb, mint ez az érték; például egy vízmolekula dipólus pillanata 1,85.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a gyenge kölcsönhatások kissé megsértik a CP-szimmetriát, a standard modell keretében villamos dipólus pillanat jelenik meg a részecskékben, de nagyon kicsi. Például egy elektron esetében a számítás 10 sorrendű értéket ad−40 e · cm, amely még mindig teljesen megközelíthetetlen a modern kísérletekhez. A standard modellen kívüli elméletekben az EDM elektron jelentősen megnövelhető. Ha új, töredezett részecskék voltak, amelyek tömege 1 TeV, az elektronral való kölcsönhatás és jelentős CP-sértéshez vezetett, akkor az elektron-EDM elérheti a 10 értéket−26 e · cm A nehezebb részecskék hatása gyengébb lesz, emellett tovább gyengül, ha a részecskék CP megsértése nem túl nagy. Azonban a 10−26 e · cm és alatta – ez egy olyan terület, ahol számos új modell előrejelzést ad.

Meg kell mondani, hogy az EDM elektron mérése nem megfontolható. 1963-ban a tétel bizonyult bebizonyítva, hogy az elektrosztatikus erők által tartott, pontatlan részecskék semleges, nem-relativisztikus rendszere vizsgálatával lehetetlen regisztrálni saját Ezeknek a részecskéknek az EDM-e az árnyékolás hatása. Valóban, egy külső elektromos mezőben ez a rendszer polarizált, indukált elektromos mező keletkezik benne, ami kompenzálja a külső mezőt, és az elektromos dipólus pillanat egyszerűen nem fog kölcsönhatásba lépni semmivel. Az EDM elektron minden keresését pontosan semleges atomokon vagy molekulákon végzik, és ez a hatás teljesen fontos. Ezért annak érdekében, hogy érezzék az EDM-et, olyan helyzeteket kell keresnie, ahol ez a tétel nem működik. Erre a célra a nehéz atomokkal rendelkező molekulák, amelyekben a valence elektronok közelednek a maghoz, jól alkalmazkodnak – ezután teljesen relativisztikusvá válnak. A cézium, a tallium, a higany, az ólom, a tórium a megfelelő atomokra jellemző példák.

Ami a kísérleti kutatásokat illeti, amint az 1950-es években a fizikusok a CP megsértésének lehetőségéről beszéltek, az első becslések készültek,amely az akkori rendelkezésre álló atomi spektroszkópiai adatokból származik. Az elektron EDM korlátozásai ezután mérsékelten 10-et tettek−13 e · cm Ezután az 1960-as években speciális kísérleteket végeztünk, és igen gyorsan a korlát 10 nagyságrenddel 10−23 e · cm és kevesebb (4. A további előrehaladás lassabb volt, de a kísérleti technikák fejlesztésével és az új ötletek kialakulásával a kísérletezők körében az elektronikus EDM korlátozása fokozatosan nőtt. A 2002-ben közzétett mérésben már 1,6 × 10 volt−27 e · cm, és azóta az eredmény nem változott jelentősen.

Ábra. 4. A fent említett korlátozások az elektron villamos dipólus pillanatának értékétől, amelyet különböző kísérletekben nyertek 1958 és 2011 között (kék körök). Az ACME kísérletben kapott új eredmény (piros kör), még egy megrendelést. E. D. Commins kép, 2012. Electron Spin és története

Az ACME-kísérlet részletei

A részecskék gyenge elektromos dipólus pillanatának mérésére szolgáló általános rendszer a következő. A polarizált részecskék áthaladnak egy olyan régióban, amelyben két párhuzamos külső, elektromos és mágneses mező van.A részecske mágneses pillanata (általában nagy), és – esetleg egy elektromos dipólus; mindkettő a részecske hátoldalán helyezkedik el. A mágneses pillanat kölcsönhatásba lép a mágneses térrel, az elektromos – az elektromos; Ez a két kölcsönhatás egy közös hatásra – a precizusra (azaz fokozatos forgatásra) adódik a külső mezőben. Ennek a precessziónak a sebességét úgy határozhatjuk meg, hogy megmérjük azt a szöget, amelyre a centrifugálás a mező egy részének áthaladása után megfordult (lásd az 5. ábrát).

Ábra. 5. A részecske forgása spin és dipólus pillanatokkal egy szegmens áthaladása során, az irányított elektromos és mágneses mezőkkel. Attól függően, hogy ezek a két mező párhuzamos vagy párhuzamos, a forgási szög eltér, és ez lehetővé teszi a részecske elektromos dipólus pillanatának mérését. Kör egy ponttal azt jelenti, hogy a mező ránk irányul ("nyílhegyek"), kör kereszttel – a tőlünk irányított mező ("nyílszár")

Ezután ismételje meg ugyanazt a kísérletet, és fordítsa el a külső elektromos mezőt ellentétes irányba, vagyis a mágneses mező ellen (lásd az 5. ábrát). Ezután a két hatás – a mágneses és az elektromos – már nem összeadódnak, de kivonásra kerülnek egymástól, és a forgás teljes szöge eltérő lesz.A különbség mérésével lehetõség van egy elektromos mező hatásának regisztrálására, és ezáltal a részecske EDM értékének kivonására.

Az elektron EDM mérésére a külső mezőben nem egyetlen elektron keletkezik, hanem egy semleges molekula. Az ACME kísérletben a tórium-oxidot és a ThO molekulákat előzetesen előállítottuk egy speciális, gerjesztett polarizált állapotban (1. Ebben a helyzetben maga a molekula szigorúan a mező mentén helyezkedik el (6a. Ábra), vagy szigorúan a mezővel szemben (6b. Ábra), de a valenciaelektron spinja – és ennek eredményeképpen az egész molekula spinja mindkét esetben átirányul. Hogyan készítsünk ilyen állapotot, nem fogunk megvitatni; ez az atomállamok lézer manipulációjának teljes művészete. Nos, akkor minden megy a már ismerős minta szerint. Külső mezőkön a spin precesses, a kísérletezők mérik a forgási szöget az 1. ábrán. A 6a. És a. 6b, majd keresse meg a különbséget a szögek között. Ez arányos az elektron EDM-jével.

Ábra. 6. Az ACME kísérletben a ThO molekulát egy speciális, gerjesztett állapotba helyeztük át, amely a külső tér mentén vagy ellentétes irányú volt egy és b). Ebben az esetben a belső molekuláris elektromos mező átfordult, és a külső mezők nem változtak.A mezõkre merõleges irányú spin irányú kondenzációs elektronállapot szintén nem változott

Ügyeljen a kulcsfontosságú pontra. A külső elektromos mezőt egyenlően a 2. ábrán mutatjuk be. 6a és b, nem fordul meg. De az elektron számára ez egyáltalán nem fontos, de sokkal erősebb intramolekuláris elektromos mező Eext.amely a tórium pozitív töltésű ionjától a negatívan töltött oxigénionig irányul. Ha a fig. Ábra a 6a. 6b. Ez a mező óriási, a ThO értéke körülbelül 10 értéket ér el11 V / cm És ha a mező nagy, az EDM elektron lehetséges jelenlétének hatása jelentősen megnő. külső a laboratórium ilyen erõs mezõje nem jut el, de az atom belsejében nyugodtan léteznek. Összehasonlításképpen, a külső elektromos mező, amelyet az ACME-nek egy molekula polarizálásához használt, mérsékelten tízszer volt centiméterenként.

Végül, ez a hatalmas intramolekuláris mező, valamint a molekula kiválasztott állapotának érzéketlensége a mágneses mezőhöz, ami az ACME kísérlethez vezetett, amely rekordérzékenységet mutatott az elektron EDM-hez.Mint bármely összetett mérési kísérletben, sok lehetséges hibaforrás létezik. Az ACME együttműködés sok ilyen forrást tesztelt, ismételve a tapasztalatokat több tízezer alkalommal különböző külső körülmények között. Nem észleltek anomáliát, és az összes eredmény átlagolásakor az elektron EDM értéket kaptuk de = (−2,1 ± 3,7 ± 2,5)·10−29 e · cm, ahol az első és a második hiba statisztikai és szisztematikus hibáknak felel meg. Ez az érték megegyezik a nullával a hibák között, ezért a kísérletezők végső soron a végeredményt produkálják – az EDM elektronának statisztikai megbízhatóságának 90% -os szintjén a modulus nem haladja meg a 8,7 · 10−29 e · cm

Az ACME mérése az elmúlt évtized eredményeinek nagyságrendjével azonnal javul, amikor úgy tűnt, hogy az ügyben elért fejlődés már megállt (4. És ez nem a határ. Ebben és néhány más kísérletben, amelyek jelenleg készülnek az EDM mérésében a fizikában, a molekulák egy vagy két nagyságrenddel csökkennek a hibában. Természetesen senki sem garantálja, hogy valami lényegében nem nullát találnak; de ha ez a "nulla" 10-es értékig tart−30 e · cm, ez már komoly csapást jelent a szuperszimmetria és más modellek sok változatára – talán még súlyosabb, mint a nagy Hadron-ütköző érdekes híreinek hiánya. Mindenesetre, ezen a fizikai területen a következő években várunk rendszeres regisztrációs frissítéseket.

Forrás: Az ACME együttműködés. Dipólus pillanatnyi elektronrendje tudomány. 2013. Előzetes közzététel online december 19, 2013; A cikk e-print formájában is elérhető: 1310.7534 [physics.atom-ph].

Lásd még:
J. J. Hudson, D. M. Kara, I. J. Smallman, B. E. Sauer, M. R. Tarbutt, E.A. Hinds, Az elektron jobb mérése // természet. 2011. május 26. V. 473. P. 493-496. – az elektron felvett elektronikus momentumának mérési pontosságáról szóló korábbi rekord.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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