Электронов электрический дипольный момент (EDM) , д е является внутренним свойством электрона таким образом, что потенциальная энергия линейно связана с напряженностью электрического поля:
ЭДМ электрона должен быть коллинеарен направлению магнитного момента (спина) электрона . [1] В рамках Стандартной модели физики элементарных частиц предсказывается , что такой диполь будет отличным от нуля, но очень маленьким, самое большее 10 -38 e cm , [2] где e обозначает элементарный заряд . Открытие существенно большего электрон электрических дипольного момента будет означать нарушение как инвариантности четности и инвариантность относительно обращения времени . [3] [4]
Последствия для стандартной модели и расширений
В Стандартной модели ЭДМ электронов возникает из СР-нарушающих компонентов матрицы СКМ . Момент очень мал, потому что CP-нарушение затрагивает кварки, а не электроны напрямую, поэтому оно может возникнуть только в результате квантовых процессов, когда виртуальные кварки создаются, взаимодействуют с электроном, а затем аннигилируют. [2] [а]
Если нейтрино являются майорановскими частицами , в стандартной модели возможен больший EDM (около 10 −33 e cm ) [2]
За последние два десятилетия было предложено множество расширений Стандартной модели. Эти расширения обычно предсказывают большие значения для электронного EDM. Например, различные цветные модели предсказывают d e в диапазоне от 10 −27 до 10 −29 e см. [ необходима цитата ] Некоторые суперсимметричные модели предсказывают, что | d e | > 10 −26 e cm [5], но выбор некоторых других параметров или других суперсимметричных моделей приводит к меньшим прогнозируемым значениям. Настоящий экспериментальный предел, таким образом, устраняет некоторые из этих цветных / суперсимметричных теорий, но не все. Дальнейшие улучшения или положительный результат [6] наложили бы дополнительные ограничения на то, какая теория имеет приоритет.
Формальное определение электронного EDM
Поскольку у электрона есть чистый заряд, определение его электрического дипольного момента неоднозначно в том смысле, что
зависит от точки о котором момент распределения заряда взят. Если бы мы выбрали быть в центре внимания, тогда будет тождественно нулю. Более интересным выбором было бы взять как центр масс электрона, оцениваемый в системе отсчета, в которой электрон находится в состоянии покоя.
Однако классические понятия, такие как центр заряда и масса, трудно уточнить для квантовой элементарной частицы. На практике определение, используемое экспериментаторами, происходит от форм-факторов входящий в матричный элемент [7]
оператора электромагнитного тока между двумя состояниями на оболочке с лоренц-инвариантной нормировкой фазового пространства, в которой
Здесь а также являются 4-спинорными решениями уравнения Дирака, нормированными так, что, а также - передача импульса от тока электрону. В фактор формы - заряд электрона, - его статический магнитный дипольный момент , адает формальное определение электрического дипольного момента электрона. Остальной форм-факторесли бы он был ненулевым, то это был бы анапольный момент .
Экспериментальные измерения ЭДМ электронов.
На сегодняшний день ни один эксперимент не обнаружил ЭДМ ненулевых электронов. По состоянию на 2020 год Группа данных о частицах публикует свое значение как | d e | <0,11 × 10 -28 е ⋅cm . [8] Вот список некоторых электронных EDM-экспериментов после 2000 года с опубликованными результатами:
Год | Место расположения | Главные исследователи | Метод | Разновидность | Экспериментальный верхний предел | d e | |
---|---|---|---|---|---|
2002 г. | Калифорнийский университет в Беркли | Юджин Комминс , Дэвид Демилль | Атомный пучок | Tl | 1,6 × 10 −27 э · см [9] |
2011 г. | Имперский колледж Лондон | Эдвард Хайндс , Бен Зауэр | Молекулярный пучок | Yb F | 1,1 × 10 −27 e см [10] |
2014 г. | Гарвард - Йель (эксперимент ACME I) | Дэвид Демилль , Джон Дойл , Джеральд Габриэльс | Молекулярный пучок | Th O | 8,7 × 10 −29 e см [11] |
2017 г. | ДЖИЛА | Эрик Корнелл , Джун Йе | Ионная ловушка | Hf F + | 1,3 × 10 −28 e см [12] |
2018 г. | Гарвард - Йельский университет (эксперимент ACME II) | Дэвид Демилль , Джон Дойл , Джеральд Габриэльс | Молекулярный пучок | Th O | 1,1 × 10 −29 e см [13] |
Предлагаемые в будущем эксперименты
Помимо вышеуказанных групп, эксперименты с электронным EDM проводятся или предлагаются следующими группами:
- Дэвид Вайс ( Государственный университет Пенсильвании ): [14] Атомная ловушка Cs.
- Даниэль Гейнцен в Университете штата Техас в Остине : [6] Cs атомная ловушка
- Университет Гронингена : молекулярный пучок BaF [15]
- Джон Дойл ( Гарвардский университет ), Николас Хатцлер ( Калифорнийский технологический институт ) и Тимоти Стеймле ( Университет штата Аризона ): молекулярная ловушка YbOH [16]
- Амар Вута ( Университет Торонто ), Эрик Хесселс ( Йоркский университет ): ориентированные полярные молекулы в матрице инертного газа [17]
Смотрите также
- Электрический дипольный момент нейтрона
- Магнитный момент электрона
- Четность (физика) § Нарушение четности
- Нарушение CP
- Спряжение заряда
- Т-симметрия
- Аномальный электрический дипольный момент
Сноски
- ^ Точнее, ненулевой EDM не возникает до уровня четырехпетлевых диаграмм Фейнмана и выше. [2]
Рекомендации
- ^ Eckel, S .; Сушков, АО; Ламоро, СК (2012). «Ограничение электрического дипольного момента электрона с помощью парамагнитного сегнетоэлектрика Eu0.5Ba0.5TiO3». Письма с физическим обзором . 109 (19): 193003. arXiv : 1208.4420 . Bibcode : 2012PhRvL.109s3003E . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.109.193003 . PMID 23215379 . S2CID 35411253 .
- ^ а б в г Поспелов, М .; Ритц, А. (2005). «Электрические дипольные моменты как зонды новой физики». Летопись физики . 318 (1): 119–169. arXiv : hep-ph / 0504231 . Bibcode : 2005AnPhy.318..119P . DOI : 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 . Springer-Verlag .
- ↑ PR Bunker и P. Jensen (2005), Основы молекулярной симметрии (CRC Press) ISBN 0-7503-0941-5 [1] Глава 15
- ^ Arnowitt, R .; Dutta, B .; Сантосо, Ю. (2001). «Суперсимметричные фазы, электрический дипольный момент электрона и магнитный момент мюона». Physical Review D . 64 (11): 113010. arXiv : hep-ph / 0106089 . Bibcode : 2001PhRvD..64k3010A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.64.113010 . S2CID 17341766 .
- ^ а б "Группа ультрахолодной атомной физики" . Физика. U. Техас . Проверено 13 ноября 2015 года .
- ^ Новаковский, М .; Paschos, EA; Родригес, Дж. М. (2005). «Все электромагнитные форм-факторы». Европейский журнал физики . 26 (4): 545–560. arXiv : физика / 0402058 . Bibcode : 2005EJPh ... 26..545N . DOI : 10.1088 / 0143-0807 / 26/4/001 . S2CID 119097762 .
- ^ «Электронный листинг» (PDF) . Группа данных по частицам. Лаборатория Лоуренса Беркли . 2020.
- ^ Реган, Британская Колумбия; Commins, Eugene D .; Schmidt, Christian J .; Демилль, Дэвид (1 февраля 2002 г.). «Новый предел электронного электрического дипольного момента» . Письма с физическим обзором . 88 (7): 071805. Bibcode : 2002PhRvL..88g1805R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.88.071805 . PMID 11863886 .
- ^ Хадсон, Дж. Дж .; Кара, DM; Смоллмен, Эй Джей; Sauer, BE; Tarbutt, MR; Хайндс, EA (2011). «Улучшенное измерение формы электрона» (PDF) . Природа . 473 (7348): 493–496. Bibcode : 2011Natur.473..493H . DOI : 10,1038 / природа10104 . hdl : 10044/1/19405 . PMID 21614077 . S2CID 205224996 .
- ^ Сотрудничество ACME (январь 2014 г.). «Порядок меньшего предела электрического дипольного момента электрона» (PDF) . Наука . 343 (6168): 269–272. arXiv : 1310,7534 . Bibcode : 2014Sci ... 343..269B . DOI : 10.1126 / science.1248213 . PMID 24356114 . S2CID 564518 . Архивировано из оригинального (PDF) 27 апреля 2015 года . Проверено 24 июня 2014 .
- ^ Кэрнкросс, Уильям Б .; Греш, Даниэль Н .; Грау, Мэтт; Cossel, Kevin C .; Русси, Таня С .; Ни, Ики; Чжоу, Ян; Ye, Jun; Корнелл, Эрик А. (9 октября 2017 г.). «Прецизионное измерение электрического дипольного момента электрона с использованием захваченных молекулярных ионов». Письма с физическим обзором . 119 (15): 153001. arXiv : 1704.07928 . Bibcode : 2017PhRvL.119o3001C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.119.153001 . PMID 29077451 . S2CID 44043558 .
- ^ Сотрудничество ACME (октябрь 2018 г.). «Улучшенный предел электрического дипольного момента электрона» (PDF) . Природа . 562 (7727): 355–360. Bibcode : 2018Natur.562..355A . DOI : 10.1038 / s41586-018-0599-8 . PMID 30333583 . S2CID 52985540 .
- ^ Д.С. Вайс. «Поиск электрического дипольного момента электрона» . Penn State Physics. Государственный университет Пенсильвании . Проверено 13 марта +2016 .
- ^ Аггарвал, Парул; Bethlem, Hendrick L .; Борщевский, Анастасия; Денис, Малика; Эсаджас, Кевин; Haase, Pi AB; Хао, Юнлян; Хукстра, Стивен; Юнгманн, Клаус; Meijknecht, Thomas B .; Mooij, Maarten C .; Тиммерманс, Роб Дж. Э .; Убахс, Вим; Вильманн, Лоренц; Запара, Артем (2018). «Измерение электрического дипольного момента электрона в BaF». Европейский физический журнал D . 72 (11). arXiv : 1804.10012 . DOI : 10.1140 / epjd / e2018-90192-9 . S2CID 96439955 .
- ^ Козырьев, Иван; Хатцлер, Николас Р. (28 сентября 2017 г.). «Прецизионное измерение нарушения симметрии обращения времени с помощью лазерно-охлаждаемых многоатомных молекул». Письма с физическим обзором . 119 (13): 133002. arXiv : 1705.11020 . Bibcode : 2017PhRvL.119m3002K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.119.133002 . PMID 29341669 . S2CID 33254969 .
- ^ Вута, AC; Horbatsch, M .; Hessels, EA (5 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 . Bibcode : 2018Atoms ... 6 .... 3V . DOI : 10,3390 / atoms6010003 . S2CID 3349485 .