Elektroniskt dipolmoment

Elektronens elektriska dipolmoment $d e$ är en inneboende egenskap hos en elektron så att den potentiella energin är linjärt relaterad till det elektriska fältets styrka :

U=\mathbf {d} _{\rm {e}}\cdot \mathbf {E} .

Elektronens elektriska dipolmoment (EDM) måste vara i linje med riktningen för elektronens magnetiska moment (spin). Inom standardmodellen för elementarpartikelfysik förutspås en sådan dipol vara icke-noll men mycket liten, som mest 10 ⁻³⁸ e ⋅cm , där e står för elementarladdningen . Upptäckten av ett avsevärt större elektronelektriskt dipolmoment skulle innebära en kränkning av både paritetsinvarians och tidsomkastningsinvarians .

Konsekvenser för standardmodell och tillägg

I standardmodellen uppstår elektron-EDM från de CP-överträdande komponenterna i CKM-matrisen . Momentet är mycket litet eftersom CP-överträdelsen involverar kvarkar, inte elektroner direkt, så det kan bara uppstå genom kvantprocesser där virtuella kvarkar skapas, interagerar med elektronen och sedan förintas.

Om neutriner är Majorana-partiklar är en större EDM (cirka 10 ⁻³³ e ⋅cm ) möjlig i standardmodellen.

Många förlängningar av standardmodellen har föreslagits under de senaste två decennierna. Dessa förlängningar förutsäger i allmänhet större värden för elektron-EDM. förutspår de olika technicolor-modellerna | d _e | som sträcker sig från 10 ⁻²⁷ till 10 ⁻²⁹ e ⋅cm. ^{[ citat behövs ]} Vissa supersymmetriska modeller förutspår att | d _e | > 10 ⁻²⁶ e ⋅cm men vissa andra parameterval eller andra supersymmetriska modeller leder till mindre predikterade värden. Den nuvarande experimentella gränsen eliminerar därför några av dessa technicolor/supersymmetriska teorier, men inte alla. Ytterligare förbättringar, eller ett positivt resultat, skulle sätta ytterligare gränser för vilka teorier som har företräde.

Formell definition

Eftersom elektronen har en nettoladdning är definitionen av dess elektriska dipolmoment tvetydig i det

\mathbf {d} _{\rm {e}}=\int ({\mathbf {r} }-{\mathbf {r} }_{0})\rho ({\mathbf {r} })d^{3}{\mathbf {r} }

beror på punkten ${\mathbf {r} }_{0}$ om vilken momentet för laddningsfördelningen $\rho ({\mathbf {r} })$ tas. Om vi skulle välja ${\mathbf {r} }_{0}$ som laddningscentrum, då skulle $\mathbf {d} _{\rm {e}}$ vara identisk noll. Ett mer intressant val skulle vara att ta ${\mathbf {r} }_{0}$ som elektronens masscentrum utvärderad i den ram där elektronen är i vila.

Klassiska föreställningar som laddningscentrum och massa är dock svåra att precisera för en kvantelementarpartikel. I praktiken kommer definitionen som används av experimentalister från formfaktorerna Fi $\displaystyle F_{i}(q^{2})}$ förekommer i matriselementet

\langle p_{f}|j^{\mu } |p_{i}\rangle ={\bar {u}}(p_{f})\left\{F_{1}(q^{2})\gamma ^{\mu}+{\frac {i\ sigma ^{\mu \nu }}{2m_{\rm {e}}}}q_{\nu}F_{2}(q^{2})+i\epsilon ^{\mu \nu \rho \sigma }\sigma _{\rho \sigma }q_{\nu }F_{3}(q^{2})+{\frac {1}{2m_{\rm {e}}}}\left(q^{ \mu }-{\frac {q^{2}}{2m_{e}}}\gamma ^{\mu }\right)\gamma _{5}F_{4}(q^{2})\right \}u(p_{i})

av den elektromagnetiska strömoperatören mellan två tillstånd på skalet med Lorentz invariant fasrumsnormalisering i vilken

\langle p_{f}\vert p_{i}\rangle =2E(2\pi )^{3}\delta ^{3}({\bf {p}}_{f}-{\bf {pi}}}).

Här är $u(p_{i})$ och ${\bar {u}}(p_{f})$ 4-spinorlösningar av Dirac-ekvationen normaliseras så att ${\bar {u}}u=2m_{e}$ och $q^{\mu }=p_ {f}^{\mu }-p_{i}^{\mu }$ är momentumöverföringen från strömmen till elektronen. q $q^{2}=0$ formfaktor $F_{1}(0)=Q$ elektronens laddning, ${\displaystyle \mu ={\tfrac {F_{1}(0)\ +\ F_{2}(0)}{2m_{\rm {e}}}}} är dess statiska$ magnetiska dipol moment , och ${\tfrac {-F_{3}(0)}{2m_{\rm {e}}}}$ ger den formella definitionen av elektronens elektriska dipolmoment. Den återstående formfaktorn $F_{4}(q^{2})$ skulle, om den inte är noll, vara anapolmomentet .

Experimentella mätningar

Elektron-EDM mäts vanligtvis inte på fria elektroner, utan istället på bundna, oparade valenselektroner inuti atomer och molekyler. I dessa kan man observera effekten av $U=\mathbf {d} _{\rm {e}}\cdot \mathbf {E}$ som en liten förskjutning av spektrallinjer . Känsligheten för $\mathbf {d} _{\rm {e}}$ skalar ungefär med kärnladdningen i kub. Av denna anledning utförs elektron-EDM-sökningar nästan alltid på system som involverar tunga element.

Hittills har inget experiment hittat en elektron-EDM som inte är noll. Från och med 2020 publicerar Particle Data Group sitt värde som | d _e | < 0,11 × 10 ⁻²⁸ e ⋅cm . Här är en lista över några elektron EDM-experiment efter 2000 med publicerade resultat:

Lista över EDM-experiment med elektroner
År	Plats	Huvudutredare	Metod	Arter	Experimentell övre gräns på \| d _e \|
2002	University of California, Berkeley	Eugene Commins , David DeMille	Atomisk stråle	Tl	1,6 × 10 ⁻²⁷ e ⋅cm
2011	Imperial College London	Edward Hinds , Ben Sauer	Molekylär stråle	Yb F	1,1 × 10 ⁻²⁷ e ⋅cm
2014	Harvard - Yale (ACME I-experiment)	David DeMille , John Doyle, Gerald Gabrielse	Molekylär stråle	Th O	8,7 × 10 ⁻²⁹ e ⋅cm
2017	JILA	Eric Cornell , Jun Ye	Jonfälla	Hf F +	1,3 × 10 ⁻²⁸ e ⋅cm
2018	Harvard - Yale (ACME II-experiment)	David DeMille , John Doyle, Gerald Gabrielse	Molekylär stråle	Th O	1,1 × 10 ⁻²⁹ e ⋅cm
2022	JILA	Eric Cornell , Jun Ye	Jonfälla	Hf F +	4,1 × 10 ⁻³⁰ e ⋅cm

ACME-samarbetet utvecklar, från och med 2020, ytterligare en version av ACME-experimentserien. Det senaste experimentet kallas Advanced ACME eller ACME III och det syftar till att förbättra gränsen för elektron-EDM med en till två storleksordningar.

Framtida föreslagna experiment

Förutom ovanstående grupper drivs eller föreslås elektron-EDM-experiment av följande grupper:

Universitetet i Groningen : BaF molekylstråle
John Doyle ( Harvard University ), Nicholas Hutzler ( California Institute of Technology ) och Timothy Steimle ( Arizona State University ): YbOH molekylär fälla
Amar Vutha ( University of Toronto ), Eric Hessels ( York University ): orienterade polära molekyler i en inert gasmatris
Pennsylvania State University : Cs- och Rb -atomer fångade inuti ett optiskt gitter
TRIUMF : Fontän av laserkyld Fr
EDMMA-samarbete: Cs i en inert gasmatris

Se även

Fotnoter