Jump to content

Электрический дипольный момент электрона

Электрический дипольный момент электрона d e является внутренним свойством электрона , так что потенциальная энергия линейно связана с напряженностью электрического поля :

электрона Электрический дипольный момент (ЭДМ) должен быть коллинеарен направлению магнитного момента (спина) электрона. [1] В рамках Стандартной модели физики элементарных частиц прогнозируется , что такой диполь будет ненулевым, но очень маленьким, не более 10 −38 e ⋅cm , [2] где e обозначает элементарный заряд . Открытие существенно большего электрического дипольного момента электрона означало бы нарушение как инвариантности четности , так и инвариантности обращения времени . [3] [4]

Последствия для Стандартной модели и расширений

[ редактировать ]

В Стандартной модели электронный ЭДМ возникает из-за CP-нарушающих компонентов матрицы CKM . Момент очень мал, потому что CP-нарушение затрагивает непосредственно кварки, а не электроны, поэтому оно может возникнуть только в результате квантовых процессов, в которых виртуальные кварки создаются, взаимодействуют с электроном, а затем аннигилируются. [2] [а]

Если нейтрино являются майорановскими частицами , то большая ЭДМ (около 10 −33  e ⋅cm ) возможно в Стандартной модели. [2]

За последние два десятилетия было предложено множество расширений Стандартной модели. Эти расширения обычно предсказывают большие значения электронного ЭДМ. Например, различные цветные модели предсказывают | д е | это колеблется от 10 −27 до 10 −29  e ⋅cm. [ нужна ссылка ] Некоторые суперсимметричные модели предсказывают, что | д е | > 10 −26  e ⋅cm [5] но выбор некоторых других параметров или других суперсимметричных моделей приводит к меньшим прогнозируемым значениям. Таким образом, нынешние экспериментальные ограничения исключают некоторые из этих многоцветных/суперсимметричных теорий, но не все. Дальнейшие улучшения или положительный результат, [6] наложило бы дополнительные ограничения на то, где теория имеет приоритет.

Исторические записи измерений электрического дипольного момента электронов в лептонных системах.

Формальное определение

[ редактировать ]

Поскольку электрон имеет суммарный заряд, определение его электрического дипольного момента неоднозначно, поскольку

зависит от точки относительно которого момент распределения заряда взято. Если бы нам пришлось выбирать быть центром заряда, тогда будет тождественно нулю.Более интересным выбором было бы взять как центр масс электрона, вычисляемый в системе отсчета, в которой электрон покоится.

Однако классические понятия, такие как центр заряда и масса, трудно уточнить для квантовой элементарной частицы. На практике определение, используемое экспериментаторами, исходит из форм-факторов появляющийся в матричном элементе [7]

оператора электромагнитного тока между двумя состояниями на оболочке с лоренц-инвариантной нормализацией фазового пространства, в которой

Здесь и являются 4-спинорными решениями уравнения Дирака, нормированными так, что , и – передача импульса от тока к электрону. форм-фактор это заряд электрона, - его статический магнитный дипольный момент , и дает формальное определение электрического дипольного момента электрона.Оставшийся форм-фактор если бы он был ненулевым, это был бы анапольный момент .

Экспериментальные измерения

[ редактировать ]

Электронный ЭДМ обычно измеряется не на свободных электронах, а на связанных неспаренных валентных электронах внутри атомов и молекул. В них можно наблюдать эффект как небольшое смещение спектральных линий . Чувствительность к масштабируется приблизительно пропорционально кубу заряда ядра . [8] По этой причине поиски электронной ЭДМ почти всегда проводятся на системах с участием тяжелых элементов.

На сегодняшний день ни один эксперимент не обнаружил ненулевой электронный ЭДМ. По состоянию на 2020 год группа данных о частицах публикует свою стоимость как | д е | < 0,11 × 10 −28  e ⋅cm . [9] Вот список некоторых экспериментов с электронной ЭДМ после 2000 года с опубликованными результатами:

Список экспериментов с электронной ЭДМ
Год Расположение Главные следователи Метод Разновидность Экспериментальный верхний предел | д е |
2002 Калифорнийский университет, Беркли Юджин Комминс , Дэвид Демилль Атомный пучок Тл 1.6 × 10 −27  e ⋅cm [10]
2011 Имперский колледж Лондона Эдвард Хиндс , Бен Зауэр Молекулярный луч Ыб Ф 1.1 × 10 −27  e ⋅cm [11]
2014 Гарвард - Йель
(эксперимент ACME I)
Дэвид ДеМилль , Джон Дойл , Джералд Гэбриэлс Молекулярный луч эт о 8.7 × 10 −29  e ⋅cm [12]
2017 АКТЕР Эрик Корнелл , Джун Йе Ионная ловушка Hf F + 1.3 × 10 −28  e ⋅cm [13]
2018 Гарвард - Йель
(эксперимент ACME II)
Дэвид ДеМилль , Джон Дойл , Джералд Гэбриэлс Молекулярный луч эт о 1.1 × 10 −29  e ⋅cm [14]
2022 АКТЕР Эрик Корнелл , Джун Йе Ионная ловушка Hf F + 4.1 × 10 −30  e ⋅cm [15] [16]

С 2020 года сотрудничество ACME разрабатывает дополнительную версию серии экспериментов ACME. Последний эксперимент называется Advanced ACME или ACME III и направлен на улучшение предела электронного ЭДМ на один-два порядка. [17] [18]

Будущие предлагаемые эксперименты

[ редактировать ]

Помимо вышеуказанных групп, эксперименты с электронной ЭДМ проводят или предлагают следующие группы:

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Точнее, ненулевой ЭДМ не возникает до уровня четырехпетлевых диаграмм Фейнмана и выше. [2]
  1. ^ Экель, С.; Сушков, АО; Ламоро, СК (2012). «Ограничение электрического дипольного момента электрона с использованием парамагнитного сегнетоэлектрика Eu0,5Ba0,5TiO3». Письма о физических отзывах . 109 (19): 193003. arXiv : 1208.4420 . Бибкод : 2012PhRvL.109s3003E . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.193003 . ПМИД   23215379 . S2CID   35411253 .
  2. ^ Перейти обратно: а б с д Поспелов, М.; Ритц, А. (2005). «Электрические дипольные моменты как исследования новой физики». Анналы физики . 318 (1): 119–169. arXiv : hep-ph/0504231 . Бибкод : 2005АнФиз.318..119П . дои : 10.1016/j.aop.2005.04.002 . S2CID   13827759 .
  3. ^ Хриплович И.Б.; Ламоро, СК (1997). CP-нарушение без странностей: электрические дипольные моменты частиц, атомов и молекул . Спрингер-Верлаг .
  4. ^ PR Банкер и П. Дженсен (2005), Основы молекулярной симметрии (CRC Press) ISBN   0-7503-0941-5 [1] Глава 15
  5. ^ Арновитт, Р.; Дутта, Б.; Сантосо, Ю. (2001). «Суперсимметричные фазы, электрический дипольный момент электрона и магнитный момент мюона». Физический обзор D . 64 (11): 113010. arXiv : hep-ph/0106089 . Бибкод : 2001PhRvD..64k3010A . дои : 10.1103/PhysRevD.64.113010 . S2CID   17341766 .
  6. ^ «Группа ультрахолодной атомной физики» . Физика. Университет Техаса . Проверено 13 ноября 2015 г.
  7. ^ Новаковски, М.; Пашос, Э.А.; Родригес, JM (2005). «Все электромагнитные форм-факторы». Европейский журнал физики . 26 (4): 545–560. arXiv : физика/0402058 . Бибкод : 2005EJPh...26..545N . дои : 10.1088/0143-0807/26/4/001 . S2CID   119097762 .
  8. ^ Аларкон, Рикардо; Александр, Джим; Анастассопулос, Василис; Аоки, Такатоши; Баартман, Рик; Бесслер, Стефан; Бартошек, Ларри; Бек, Дуглас Х.; Бедески, Франко; Бергер, Роберт; Берз, Мартин; Бетлем, Хендрик Л.; Бхаттачарья, Танмой; Бласкевич, Майкл; Блюм, Томас (04 апреля 2022 г.). «Электрические дипольные моменты и поиск новой физики». arXiv : 2203.08103 [ hep-ph ].
  9. ^ «Электронный листинг» (PDF) . Группа данных частиц. Лаборатория Лоуренса Беркли . 2020.
  10. ^ Риган, Британская Колумбия; Комминс, Юджин Д.; Шмидт, Кристиан Дж.; Демилль, Дэвид (1 февраля 2002 г.). «Новый предел электрического дипольного момента электрона» . Письма о физических отзывах . 88 (7): 071805. Бибкод : 2002PhRvL..88g1805R . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.071805 . ПМИД   11863886 . S2CID   32396668 .
  11. ^ Хадсон, Джей-Джей; Кара, ДМ; Смоллман, Эй-Джей; Зауэр, Бельгия; Тарбутт, MR; Хиндс, Э.А. (2011). «Улучшенное измерение формы электрона» (PDF) . Природа . 473 (7348): 493–496. Бибкод : 2011Natur.473..493H . дои : 10.1038/nature10104 . hdl : 10044/1/19405 . ПМИД   21614077 . S2CID   205224996 .
  12. ^ Сотрудничество ACME (январь 2014 г.). «Меньший предел электрического дипольного момента электрона на порядок величины» (PDF) . Наука . 343 (6168): 269–272. arXiv : 1310.7534 . Бибкод : 2014Sci...343..269B . дои : 10.1126/science.1248213 . ПМИД   24356114 . S2CID   564518 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2015 г. Проверено 24 июня 2014 г.
  13. ^ Кэрнкросс, Уильям Б.; Греш, Дэниел Н.; Грау, Мэтт; Коссель, Кевин С.; Русси, Таня С.; Ни, Ици; Чжоу, Ян; Да, Джун; Корнелл, Эрик А. (9 октября 2017 г.). «Прецизионное измерение электрического дипольного момента электрона с использованием захваченных молекулярных ионов». Письма о физических отзывах . 119 (15): 153001. arXiv : 1704.07928 . Бибкод : 2017PhRvL.119o3001C . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.153001 . ПМИД   29077451 . S2CID   44043558 .
  14. ^ Коллаборация ACME (октябрь 2018 г.). «Улучшенный предел электрического дипольного момента электрона» (PDF) . Природа . 562 (7727): 355–360. Бибкод : 2018Natur.562..355A . дои : 10.1038/s41586-018-0599-8 . ПМИД   30333583 . S2CID   52985540 .
  15. ^ Русси, Таня С.; Колдуэлл, Люк; Райт, Тревор; Кэрнкросс, Уильям Б.; Шагам, Юваль; Нг, Киа Бун; Шлоссбергер, Ной; Пак, Сун Юль; Ван, Аньчжоу; Да, Джун; Корнелл, Эрик А. (2023). «Улучшенное ограничение электрического дипольного момента электрона». Наука . 381 (6653): 46–50. arXiv : 2212.11841 . Бибкод : 2023Sci...381...46R . дои : 10.1126/science.adg4084 .
  16. ^ Русси, Таня С.; Колдуэлл, Люк; Райт, Тревор; Кэрнкросс, Уильям Б.; Шагам, Юваль; Нг, Киа Бун; Шлоссбергер, Ной; Пак, Сун Юль; Ван, Аньчжоу; Да, Джун; Корнелл, Эрик А. (6 июля 2023 г.), «Новое ограничение электрического дипольного момента электрона» , Science , 381 (6653): 46–50, arXiv : 2212.11841 , Bibcode : 2023Sci...381... 46R , doi : 10.1126/science.adg4084
  17. ^ «АКМЕ Электрон ЭДМ» .
  18. ^ Анг, Д.Г.; Мейзенхельдер, К.; Панда, компакт-диск; Ву, Х.; Демилль, Д.; Дойл, Дж. М.; Габриэльс, Г. (15 августа 2022 г.). "Измерение радиационного времени жизни $H^3\Delta_1$ в ThO" . Физический обзор А. 106 (2): 022808. arXiv : 2204.05904 . дои : 10.1103/PhysRevA.106.022808 .
  19. ^ Аггарвал, Парул; Бетлем, Хендрик Л.; Борщевский, Анастасия; Денис, Малика; Очерки, Кевин; Хаазе, Пи АБ; Хао, Юнлян; Хукстра, Стивен; Юнгманн, Клаус; Мейкнехт, Томас Б.; Муидж, Мартен К.; Тиммерманс, Роб Дж. Е.; Юбахс, Вим; Вильманн, Лоренц; Запара, Артем (2018). «Измерение электрического дипольного момента электрона в BaF». Европейский физический журнал Д. 72 (11). arXiv : 1804.10012 . дои : 10.1140/epjd/e2018-90192-9 . S2CID   96439955 .
  20. ^ Козырев Иван; Хатцлер, Николас Р. (28 сентября 2017 г.). «Прецизионное измерение нарушения симметрии обращения времени с помощью многоатомных молекул, охлажденных лазером». Письма о физических отзывах . 119 (13): 133002. arXiv : 1705.11020 . Бибкод : 2017PhRvL.119m3002K . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.133002 . ПМИД   29341669 . S2CID   33254969 .
  21. ^ Вута, AC; Хорбач, М.; Хессельс, Э.А. (05 января 2018 г.). «Ориентированные полярные молекулы в твердой матрице инертного газа: предлагаемый метод измерения электрического дипольного момента электрона» . Атомы . 6 (1): 3. arXiv : 1710.08785 . Бибкод : 2018Атомы...6....3В . дои : 10.3390/atoms6010003 . S2CID   3349485 .
  22. ^ «ЭДМкубед» . www.yorku.ca . Проверено 31 октября 2023 г.
  23. ^ «Поиск электронного ЭДМ с использованием Cs и Rb в ловушках на оптических решетках» . Пенсильванский штат . Проверено 9 сентября 2022 г.
  24. ^ «Резюме отчета | ТРИУМФ: Канадская национальная лаборатория физики элементарных частиц и ядерной физики» . mis.triumf.ca . Проверено 9 сентября 2022 г.
  25. ^ «Электрический дипольный момент электрона при использовании Cs в криогенной матрице - LAC» . www.lac.universite-paris-saclay.fr . Проверено 9 сентября 2022 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 21f768f30bb5db1ba3a95ce703719e14__1712386740
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/21/14/21f768f30bb5db1ba3a95ce703719e14.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Electron electric dipole moment - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)