Электрический дипольный момент электрона - Electron electric dipole moment - Wikipedia

В электрон электрический дипольный момент (EDM) d_е является внутренним свойством электрон так что потенциальная энергия линейно связана с напряженностью электрического поля:

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

ЭДМ электрона должен быть коллинеарен направлению движения электрона. магнитный момент (спин).^[1] В рамках Стандартная модель физики элементарных частиц, такой диполь прогнозируется ненулевым, но очень маленьким, не более 10⁻³⁸ е⋅см,^[2] куда е стоит за элементарный заряд. Открытие существенно большего электрического дипольного момента электрона означало бы нарушение обоих инвариантность по четности и инвариантность обращения времени.^[3][4]

Последствия для стандартной модели и расширений

В Стандартной модели ЭДМ электронов возникает из CP-нарушающие компоненты Матрица СКМ. Момент очень мал, потому что CP-нарушение напрямую связано с кварками, а не с электронами, поэтому оно может возникнуть только в результате квантовых процессов, когда виртуальный кварки создаются, взаимодействуют с электроном, а затем аннигилируют.^[2][а]

Если нейтрино Майорановые частицы, больший EDM (около 10⁻³³ е⋅см) возможно в стандартной модели^[2]

За последние два десятилетия было предложено множество расширений Стандартной модели. Эти расширения обычно предсказывают большие значения для электронного EDM. Например, различные разноцветные модели предсказывать d_е это колеблется от 10⁻²⁷ до 10⁻²⁹ е⋅см.^{[нужна цитата ]} Немного суперсимметричный модели предсказывают, что |d_е| > 10⁻²⁶ е⋅см^[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 доработки или положительный результат,^[6] установит 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

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

зависит от точки ${\displaystyle {\mathbf {r} }_{0}}$ о котором момент распределения заряда ${\displaystyle \rho ({\mathbf {r} })}$ взят. Если бы мы выбрали ${\displaystyle {\mathbf {r} }_{0}}$ быть в центре внимания, тогда ${\displaystyle \mathbf {d} _{\rm {e}}}$ будет тождественно нулю. Более интересным выбором было бы взять ${\displaystyle {\mathbf {r} }_{0}}$ как центр масс электрона, вычисленный 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-факторы ${\displaystyle F_{i}(q^{2})}$ появляющийся в матричном элементе^[7]

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

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

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

Здесь ${\displaystyle u(p_{i})}$ и ${\displaystyle {\bar {u}}(p_{f})}$ являются 4-спинорными решениями Уравнение Дирака нормализовано так, чтобы ${\displaystyle {\bar {u}}u=2m_{e}}$, и ${\displaystyle q^{\mu }=p_{f}^{\mu }-p_{i}^{\mu }}$ - передача импульса от тока электрону. В ${\displaystyle q^{2}=0}$ фактор формы ${\displaystyle F_{1}(0)=Q}$ - заряд электрона, ${\displaystyle \mu =(F_{1}(0)+F_{2}(0))/2m_{\rm {e}}}$ является его статический магнитный дипольный момент, и ${\displaystyle -F_{3}(0)/2m_{\rm {e}}}$ дает формальное определение электрического дипольного момента электрона. Остающийся форм-фактор ${\displaystyle F_{4}(q^{2})}$ если бы не ноль, было бы анапольный момент.

Экспериментальные измерения ЭДМ электронов

На сегодняшний день ни один эксперимент не обнаружил ЭДМ ненулевых электронов. В Группа данных о частицах публикует свою ценность как |d_е| < 0.87×10⁻²⁸ е⋅см.^[8] Вот список электронных EDM-экспериментов после 2000 года с опубликованными результатами:

Список экспериментов с электронным EDM

Год	Место расположения	Главные исследователи	Метод	Разновидность	Экспериментальный верхний предел |dе|
2002	Калифорнийский университет в Беркли	Юджин Комминс, Дэвид Демилль	Атомный пучок	Tl	1.6×10^−27 е⋅см[9]
2011	Имперский колледж Лондон	Эдвард Хайндс, Бен Зауэр	Молекулярный пучок	YbF	1.1×10^−27 е⋅см[10]
2014	Гарвард -Йель (Эксперимент ACME I)	Дэвид Демилль, Джон Дойл, Джеральд Габриэльс	Молекулярный пучок	ЧтО	8.7×10^−29 е⋅см[11]
2017	ДЖИЛА	Эрик Корнелл, Джун Йе	Ионная ловушка	HfF +	1.3×10^−28 е⋅см[12]
2018	Гарвард -Йель (Эксперимент ACME II)	Дэвид Демилль, Джон Дойл, Джеральд Габриэльс	Молекулярный пучок	ЧтО	1.1×10^−29 е⋅см[13]

Предлагаемые в будущем эксперименты

Помимо вышеперечисленных групп, эксперименты с электронным EDM проводятся или предлагаются следующими группами:

• Дэвид Вайс (Государственный университет Пенсильвании ):^[14] CS атомная ловушка

• Даниэль Хайнцен в Техасский университет в Остине:^[6] CS атомная ловушка

• Гронингенский университет: BaF молекулярный пучок^[15]

• Джон Дойл (Гарвардский университет ), Николас Хатцлер (Калифорнийский технологический институт ), и Тимоти Стеймле (Университет штата Аризона ): YbOH молекулярная ловушка^[16]

• Амар Вута (Университет Торонто ), Эрик Хессельс (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

1. Точнее, ненулевой EDM не возникает до уровня четырехпетлевой Диаграммы Фейнмана и выше.^[2]

Рекомендации

1. Eckel, S .; Сушков, А.О .; Ламоро, С.К. (2012). «Ограничение электрического дипольного момента электрона с помощью парамагнитного сегнетоэлектрика Eu0.5Ba0.5TiO3». Письма с физическими проверками. 109 (19): 193003. arXiv:1208.4420. Bibcode:2012PhRvL.109s3003E. Дои:10.1103 / PhysRevLett.109.193003. PMID  23215379. S2CID  35411253.
2. Поспелов, М .; Ритц, А. (2005). «Электрические дипольные моменты как зонды новой физики». Анналы физики. 318 (1): 119–169. arXiv:hep-ph / 0504231. Bibcode:2005AnPhy.318..119P. Дои:10.1016 / j.aop.2005.04.002. S2CID  13827759.
3. Хриплович И.Б .; Ламоро, С.К. (1997). CP-нарушение без странностей: электрические дипольные моменты частиц, атомов и молекул. Springer-Verlag.
4. П. Р. Банкер и П. Дженсен (2005), Основы молекулярной симметрии (CRC Press) ISBN  0-7503-0941-5[1] Глава 15
5. Arnowitt, R .; Dutta, B .; Сантосо, Ю. (2001). «Суперсимметричные фазы, электрический дипольный момент электрона и магнитный момент мюона». Физический обзор D. 64 (11): 113010. arXiv:hep-ph / 0106089. Bibcode:2001ПхРвД..64к3010А. Дои:10.1103 / PhysRevD.64.113010. S2CID  17341766.
6. «Группа ультрахолодной атомной физики». Физика. U. Техас. Получено 13 ноября 2015.
7. Новаковский, М .; Paschos, E.A .; Родригес, Дж. М. (2005). «Все электромагнитные форм-факторы». Европейский журнал физики. 26 (4): 545–560. arXiv:физика / 0402058. Bibcode:2005EJPh ... 26..545N. Дои:10.1088/0143-0807/26/4/001. S2CID  119097762.
8. "Электронный листинг" (PDF). Группа данных по частицам. Лаборатория Лоуренса Беркли. 2018.
9. Regan, B.C .; Commins, Eugene D .; Шмидт, Кристиан Дж .; Демилль, Дэвид (1 февраля 2002 г.). «Новый предел электрического дипольного момента электрона». Письма с физическими проверками. 88 (7): 071805. Bibcode:2002PhRvL..88g1805R. Дои:10.1103 / PhysRevLett.88.071805. PMID  11863886.
10. Hudson, J.J .; Kara, D.M .; Смоллмен, I.J .; Sauer, B.E .; Tarbutt, M.R .; Хайндс, Э.А. (2011). «Улучшенное измерение формы электрона» (PDF). Природа. 473 (7348): 493–496. Bibcode:2011Натура.473..493H. Дои:10.1038 / природа10104. HDL:10044/1/19405. PMID  21614077. S2CID  205224996.
11. Сотрудничество ACME (январь 2014 г.). «Предел меньшего порядка величины электрического дипольного момента электрона» (PDF). Наука. 343 (6168): 269–272. arXiv:1310.7534. Bibcode:2014Научный ... 343..269B. Дои:10.1126 / science.1248213. PMID  24356114. S2CID  564518. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-04-27. Получено 2014-06-24.
12. Кэрнкросс, Уильям Б .; Греш, Даниэль Н .; Грау, Мэтт; Cossel, Kevin C .; Русси, Таня С .; Ni, Yiqi; Чжоу, Ян; Ye, Jun; Корнелл, Эрик А. (9 октября 2017 г.). «Прецизионное измерение электрического дипольного момента электрона с использованием захваченных молекулярных ионов». Письма с физическими проверками. 119 (15): 153001. arXiv:1704.07928. Bibcode:2017PhRvL.119o3001C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.119.153001. PMID  29077451. S2CID  44043558.
13. Сотрудничество ACME (октябрь 2018 г.). «Улучшенный предел электрического дипольного момента электрона» (PDF). Природа. 562 (7727): 355–360. Bibcode:2018Натура.562..355A. Дои:10.1038 / s41586-018-0599-8. PMID  30333583. S2CID  52985540.
14. Д.С. Вайс. «Поиск электрического дипольного момента электрона». Penn State Physics. Государственный университет Пенсильвании. Получено 13 марта 2016.
15. Аггарвал, Парул; Bethlem, Hendrick L .; Борщевский, Анастасия; Денис, Малика; Эсаджас, Кевин; Haase, Pi A.B .; Хао, Юнлян; Хукстра, Стивен; Юнгманн, Клаус; Meijknecht, Thomas B .; Mooij, Maarten C .; Тиммерманс, Роб Г.Е .; Убахс, Вим; Вильманн, Лоренц; Запара, Артем (2018). «Измерение электрического дипольного момента электрона в BaF». Европейский физический журнал D. 72 (11). arXiv:1804.10012. Дои:10.1140 / epjd / e2018-90192-9. S2CID  96439955.
16. Козырьев, Иван; Хатцлер, Николас Р. (28 сентября 2017 г.). "Прецизионное измерение нарушения симметрии обращения времени с помощью лазерно-охлаждаемых многоатомных молекул". Письма с физическими проверками. 119 (13): 133002. arXiv:1705.11020. Bibcode:2017ПхРвЛ.119м3002К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.119.133002. PMID  29341669. S2CID  33254969.
17. Vutha, A.C .; Horbatsch, M .; Хессельс, Э.А. (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. Дои:10,3390 / атомов 6010003. S2CID  3349485.