물리학자들은 전례 없는 정밀도로 전자 전기 쌍극자 모멘트를 측정합니다.

미국 콜로라도 대학교 볼더(Boulder)의 물리학자들은 전례 없는 정밀도로 전자의 전하 분포 형태를 알아냈습니다. Eric Cornell과 Jun Ye가 이끄는 연구팀은 전자의 전기 쌍극자 모멘트(eEDM)와 같은 전하 분포의 불균형이 4.1 x 10-30 e cm 미만이어야 하며 불확실성은 2.1 x 10-30 e cm임을 발견했습니다. 센티미터. 이 정밀도는 지구의 크기를 바이러스 크기 내에서 측정하는 것과 동일하며, 그 결과는 표준 모델을 넘어서는 새로운 입자를 찾는 데 중요한 의미를 갖습니다.

새로운 입자를 찾는 한 가지 방법은 LHC(대형 강입자 충돌기)와 같은 대형 입자 가속기에서 점점 증가하는 에너지로 알려진 입자를 함께 충돌시켜 직접 수행하는 것입니다. 대안은 전자의 전하 분포에서 새로운 입자의 징후를 찾아 간접적으로 수행하는 것입니다. 이것이 CU-Boulder 팀이 사용한 방법이며, 이를 통해 실험실 테이블 위에서 검색을 수행할 수 있습니다.

전자는 스핀으로 인해 자기 모멘트를 가지며, 자기 쌍극자를 생성하는 회전 전하로 생각할 수 있습니다. 대조적으로, 전기 쌍극자 모멘트(EDM)는 전자의 전하 분포가 약간 왜곡되는 경우에만 발생할 수 있습니다. 그러한 왜곡이 존재한다는 것은 전자가 더 이상 시간 역전 대칭을 따르지 않는다는 것을 의미합니다. 이는 시간이 앞으로 흐르든 뒤로 흐르든 물리학이 동일하다는 기본 요구 사항입니다.

이 대칭성이 왜 위반되는지 이해하려면 시간이 역전되면 어떤 일이 일어날지 생각해 보세요. 그러면 전자는 반대 방향으로 회전하고 자기 모멘트의 방향이 반전됩니다. 그러나 eEDM은 영구적인 전하 왜곡의 결과이므로 변경되지 않습니다. 두 순간이 평행한 상태에서 시작하면 시간 반전으로 인해 두 순간이 역평행이 되어 시간 대칭을 위반하게 되기 때문에 이것이 문제입니다.

우주를 구성하는 힘과 입자에 대한 현재 최고의 프레임워크인 표준 모델은 아주 적은 양의 시간 대칭 위반만 허용하므로 전자의 전기 쌍극자 모멘트는 ~10-36e를 초과할 수 없다고 예측합니다. 센티미터. 이는 현재의 최첨단 장비로도 실험적으로 테스트하기에는 너무 작습니다.

그러나 초대칭과 같은 표준 모델의 확장은 지금까지 발견된 것보다 더 높은 에너지를 갖는 많은 새로운 입자의 존재를 예측합니다. 이 새로운 입자는 전자와 상호 작용하여 훨씬 더 큰 eEDM을 제공합니다. 따라서 0이 아닌 eEDM을 검색하는 것은 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 검색하는 것이며 새로운 입자의 "마커"를 찾는 것입니다.

eEDM을 측정하기 위해 CU-Boulder 연구진은 전자가 외부 자기장 및 전기장에서 어떻게 흔들리는지 감지합니다. 이 흔들림, 즉 세차운동은 중력장에서 자이로스코프가 회전하는 것과 유사합니다. 전자가 자기장 안에 놓이면 자기 모멘트로 인해 특정 주파수에서 세차운동을 하게 됩니다. 전자에도 EDM이 있는 경우 전기장을 가하면 세차 속도가 변경됩니다. 전자가 전기장에 대해 한 방향으로 향하면 세차 주파수가 빨라집니다. 다른 방향을 "가리키고" 있으면 속도가 느려집니다.

CU-Boulder의 박사과정 학생이자 공동 저자인 Trevor Wright는 "우리는 전자가 한 방향으로 향하고 다시 전자가 다른 방향으로 향하는 워블의 주파수 차이를 측정하여 eEDM을 결정할 수 있습니다."라고 설명합니다. 결과를 요약한 Science 지의 논문.

연구자들은 자체적으로 전자를 연구하는 대신 하프늄 플루오라이드 분자 이온(HfF+) 내부의 전자의 세차 주파수를 모니터링합니다. 이러한 이온의 내부 전기장은 주파수 차이를 훨씬 더 크게 만들고 이온을 트랩에 가두어 연구원들은 최대 3초 동안 전자의 세차 운동을 측정할 수 있었다고 Trevor는 설명합니다. 실제로 연구원들은 분자를 잘 제어하여 세차 주파수를 수십 µHz의 정밀도로 측정할 수 있었습니다.