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.
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:
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:
- Университет Гронингена : BaF Молекулярный луч [19]
- Джон Дойл ( Гарвардский университет ), Николас Хатцлер ( Калифорнийский технологический институт ) и Тимоти Стеймл ( Университет штата Аризона ): Молекулярная ловушка YbOH [20]
- Коллаборация EDMcubed , Амар Вута ( Университет Торонто ), Эрик Хессельс ( Йоркский университет ): ориентированные полярные молекулы в матрице инертного газа [21] [22]
- Дэвид Вайс ( Университет штата Пенсильвания ): Атомы Cs и Rb заперты внутри оптической решетки. [23]
- ТРИУМФ : Фонтан с лазерным охлаждением Fr [24]
- Сотрудничество EDMMA : Cs в матрице инертного газа [25]
См. также
[ редактировать ]- Электрический дипольный момент нейтрона
- Магнитный момент электрона
- Аномальный электрический дипольный момент
- Аномальный магнитный дипольный момент
- Электрический дипольный спиновый резонанс
- Четность (физика) § Нарушение четности
- нарушение CP
- Сопряжение зарядов
- Т-симметрия
Сноски
[ редактировать ]- ^ Точнее, ненулевой ЭДМ не возникает до уровня четырехпетлевых диаграмм Фейнмана и выше. [2]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Хриплович И.Б.; Ламоро, СК (1997). CP-нарушение без странностей: электрические дипольные моменты частиц, атомов и молекул . Спрингер-Верлаг .
- ^ PR Банкер и П. Дженсен (2005), Основы молекулярной симметрии (CRC Press) ISBN 0-7503-0941-5 [1] Глава 15
- ^ 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 .
- ^ «Группа ультрахолодной атомной физики» . Физика. Университет Техаса . Проверено 13 ноября 2015 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 ].
- ^ «Электронный листинг» (PDF) . Группа данных частиц. Лаборатория Лоуренса Беркли . 2020.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ «АКМЕ Электрон ЭДМ» .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «ЭДМкубед» . www.yorku.ca . Проверено 31 октября 2023 г.
- ^ «Поиск электронного ЭДМ с использованием Cs и Rb в ловушках на оптических решетках» . Пенсильванский штат . Проверено 9 сентября 2022 г.
- ^ «Резюме отчета | ТРИУМФ: Канадская национальная лаборатория физики элементарных частиц и ядерной физики» . mis.triumf.ca . Проверено 9 сентября 2022 г.
- ^ «Электрический дипольный момент электрона при использовании Cs в криогенной матрице - LAC» . www.lac.universite-paris-saclay.fr . Проверено 9 сентября 2022 г.