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粒子与相互作用

粒子与相互作用

测量(几乎)零

01 Dec 2009

电子’它的电偶极矩很小,难以想象,甚至可能不存在。但是作为 乍得·奥泽尔 解释说,这并没有阻止实验学家尝试测量它,因为非零结果可能意味着存在新的物理学

测量(几乎)零

 

当我们大多数人考虑在标准模型(粒子物理学的主导范式)之外搜索物理学时,想到的第一件事可能是像CERN这样的巨大粒子加速器’大型强子对撞机(LHC)。在对撞机内’s 27-km 循环, protons slam together at 99.9999991% of the speed of light. Office-building-sized detectors generate terabytes of data for physicists to sift through, seeking elusive traces of new kinds of particles.

但是,这一次也在原子物理学实验室中进行着另一种寻找新物理学的工作。这些实验人员使用的装置尺寸不超过几米,其能量比大型强子对撞机低一万亿倍,它们也试图通过测量电子的电偶极矩(EDM)来检测新粒子。

他们搜索背后的逻辑是,在基本标准模型下,禁止检测到电子EDM。因此,找到一个微小但有限的EDM将表明标准模型需要修订,从而为新一类的EDM打开了大门。“virtual particles”。从实验的角度来看,这项任务并不容易:您如何测量几乎但不是零的东西?然而,在LHC发挥其全部潜能之前,甚至在此之后,这些EDM搜索可能都是发现新物理学的最佳机会。

规则与例外

偶极子最常见的例子是磁铁。如果将普通的条形磁铁(例如罗盘)放在磁场中,其北极和南极将与磁场对齐。类似地,可以通过将两个带相反电荷的物体靠近在一起来创建电偶极子。电偶极矩 de这个简单系统的,等于电荷的大小, q乘以电荷分离距离, r,即 de = qr。就像磁偶极子一样,电偶极子也有一个方向 rde 是矢量),它会趋向于与施加的电场对齐。对于基本粒子, dee cm, where e 是电子上的电荷(1.6×10–19 C).

自1920年代以来,物理学家就知道电子的行为就像磁偶极子一样,这要归功于它的“spin”, or intrinsic angular momentum. (The electron 是 不 literally 旋转ning, but the analogy with a 旋转ning ball of charge 是 a useful one.) However, as a fundamental particle, the electron should 有一个永久的 电动 偶极矩–至少不符合标准模型的最简单版本。没有电子EDM是以下原因的结果“时间反转对称”,这是物理学的基本原理,认为如果时间流的方向相反,则物理相互作用应该看起来相同。

To understand why a permanent EDM for the electron would violate 时间反转对称, consider our picture of the electron as a tiny, 旋转ning ball of charge. The 旋转ning charge acts like a small 循环 of current 和 produces a magnetic dipole moment along the 旋转 axis (the blue arrow in figure 1a). To produce an EDM, we must distort the charge distribution of the electron slightly, creating an 电动 dipole along the 旋转 axis (red arrow in figure 1b). When we reverse time, we reverse the ball’s自旋,因此是磁偶极子的方向。但是电荷分布不会移动,因此电偶极子不会改变方向。因此,随着时间的流逝,两个偶极子指向相同的方向,但是当时间反向时,两个偶极子指向相反的方向(图1c)。这显然违反了时间反转对称性,因此排除了基本标准模型中电子(或实际上任何其他稳定粒子)的永久EDM。

However, as with any rule, there are exceptions to 时间反转对称. 更多 sophisticated versions of the Standard Model 允许时间反转,前提是当粒子的电荷反转时,其行为也具有不对称性,并且“left” 和 “right”被交换。这被称为违反电荷奇偶校验(CP)对称性。我们知道必须发生CP违规,因为我们已经观察到了可见宇宙中物质与反物质之间明显的不对称性:例如,我们观察到的电子远多于正电子,因此,其电荷被翻转的世界看起来将大不相同。因此,从逻辑上讲,还必须发生时间反转,从而使电子具有微小的永久电偶极矩。

但是微小有多小呢?电子EDM的大小可以通过考虑电子与电子之间的短暂相互作用来计算“virtual particles”从空的空间的真空能中出现并在直接测量之前消失(参见“电子与电磁场相互作用的费曼图”). Some of these 虚拟-particle interactions violate 时间反转对称, 和 so the Standard Model predicts an EDM of at most 10–39 e cm. This 是 far too small to be measured. However, most theories going beyond the Standard Model introduce new types of particles that violate 时间反转对称 more easily. Such theories predict an electron EDM many orders of magnitude larger – 10–25–10–30 e 厘米。这足够大,我们希望可以在精度测量中检测到它,从而开始排除某些类的标准模型扩展。

搜索EDM

如果存在非零电子EDM,我们如何测量?同样,与电子进行比较很有用’作为磁偶极子的行为。在量子力学中,电子的自旋具有两个离散状态,“up” 和 “down”。当偶极子的能量取决于其相对于磁场的方向时,这两种自旋态在磁场中的能量略有不同:自旋与场对齐的电子的能量略低于自旋与电场相反的电子到现场。这种能量差会导致原子中电子的能级发生微小变化,从而使某些原子态的能量转移,并使某些单能态分裂为两个不同的态。

同样,当放置在电场中时,与偶极相反的电场相比,当偶极与电场对准时,具有较小EDM的电子的能量会稍低。然而,对于任何可能的电子EDM值,偶极相互作用的影响将因电子之间的相互作用而相形见war。’的负责人和领域。例如,如果我们对自由电子施加电场,电子将简单地冲向正极。

避免此问题的关键是查看原子或分子内部的电子。这样的系统是电中性的,因此不会响应电场而运动,但是由于EDM,它们的能级仍然会变化。为了在实验室中观察到这种变化,原子内部的电子必须经受大于10的电场6 V cm–1。这样的场不容易获得,因为当向原子施加电场时,其内部的电子会通过相对于原子核移动其位置而做出响应,从而抵消了原子内部的大部分场。但是,相对论效应使抵消作用无法达到完美,在非常重的原子中,电子以接近光速的速度运动,甚至可以增强施加的电场。

由于这个原因,迄今为止对电子EDM进行的最精确测量都使用了atoms原子。 an的原子质量为205,其场增强因子为585,也就是说,th原子内部电子所经历的场是实验室中应用的场的585倍。在2000年代初期的一系列实验中,Eugene Commins的研究人员’加州大学伯克利分校的一个小组首先将sent原子束发射到一个适度的磁场中。电场的存在为电子自旋确定了一个首选轴,因此为电子EDM(必须与自旋指向同一轴)建立了一个首选轴。然后他们施加了高达1.23×10的电场5 V cm–1 沿着同一轴,寻找可能由EDM引起的原子能级变化的迹象。

为了最大程度地提高对EDM产生的位移的敏感度,伯克利小组使用了一种类似于原子钟的干涉技术,其中涉及同一原子的两个状态之间的量子机械干涉(请参见“EDM位移的干涉测量”)。研究人员寻找了取决于所施加电场的干扰模式的转变,并用许多电场和磁场组合重复了该实验。将44个数据集放在一起,每个数据集包含128种不同条件下的测量结果,他们发现电子EDM(如果存在)必须小于1.6×10–27 e cm.

从原子到分子

此结果足以排除一个标准模型扩展(称为“naive SUPersymmetry”由伯克利(Berkeley)小组的一位前成员预测的更大的EDM。但是伯克利的实验推动了原子中EDM搜索的极限。三个因素限制了测量’灵敏度:由于杂散磁场或电场而产生的噪声;原子在电场中的相互作用时间;以及由于EDM引起的能量偏移大小。

首先,伯克利小组竭尽全力来限制噪声的影响。这些实验足够灵敏,可以拾取近一英里外地铁站火车造成的电噪声。结果,大多数研究人员’列车不运行时,必须在凌晨1点到凌晨5点之间收集数据。他们还使用平行的钠原子束作为“co-magnetometer”排除其他干扰源;轻得多的钠原子对EDM不敏感,但对杂散磁场敏感。

As for the other two limitations, the interaction time for the experiments was determined by the speed of the atomic beam, which was set by the 920 K operating temperature of their thallium source, 和 不 easily changed. This 剩下 increasing the size of the EDM-related energy shift as the remaining hope for improving sensitivity. Doing so would require either significantly larger 电动 fields or a system with a larger field-enhancement factor. Unfortunately, applying a larger field presents significant technical challenges, 和 thallium 是 already close to the maximum enhancement factor – for atoms, at least.

现场增强的显着改善 但是,在 分子 系统-特别是由一种重元素和一种轻元素组成的极性分子。包括the增强因子在内的伯克利实验的有效应用领域约为72×106 V cm–1,但极性分子的场最大可达20×109 V cm–1 –几乎是原来的300倍。因此,使用分子代替原子可以将EDM实验的灵敏度提高相同倍数,达到10–30 e 厘米或更好。结果,最近对极性分子的兴趣激增,研究小组开始在伦敦帝国理工学院以及美国的耶鲁大学,密歇根大学,俄克拉荷马州和科罗拉多大学开始电子EDM搜索。

目前,这项工作的领导者之一是爱德华·辛德斯(Edward Hinds)’在Imperial的一个小组中,它使用了氟化分子和类似于伯克利实验中使用的光束装置。这些分子的光束穿过一个包含大电场(13kV)cm的区域–1),然后使用量子态干涉来搜索电子EDM引起的微小位移。他们的首次测量于2002年发布,灵敏度为0.2×10–26 e 厘米,比伯克利实验稍差。但是,在最近的系统升级之后,他们希望达到至少5×10的灵敏度–28 e 厘米,到2009年底,并希望到2010年底再提高三倍。

另一个有希望的竞争者是戴维·德米勒(David DeMille)’耶鲁大学的实验。耶鲁大学的研究小组采用了另一种将氧化铅分子保持在玻璃池中的技术,而不是将其通过光束穿过实验装置。尽管细胞需要维持在973K左右(这是一项重大技术挑战),但这项技术意味着研究人员可以使分子与电场相互作用的时间比射线实验更长。研究小组希望在2010年初达到或超过伯克利实验的灵敏度。

同时,其他类型的搜索也在进行中。由耶鲁大学的史蒂夫·拉莫洛克斯(Steve Lamoreaux)和阿默斯特学院的拉里·亨特(Larry Hunter)领导的团队正在尝试检测磁性固体而不是扩散分子气体中的EDM。他们的方法是利用磁场使固态g铁石榴石样品中的所有电子自旋(进而使EDM)对准,然后测量整个样品的累积偶极矩。这种方法的一个优点是,固体中的电子密度远高于气体中的电子密度,因此对EDM的灵敏度也应高于原子和分子实验中的灵敏度。

假设这些实验都没有找到非零的EDM,那之后会发生什么?在分子方面,下一个重大改进将来自进一步增加分子与电场相互作用所花费的时间。这可以通过使用冷分子进行实验来完成,该分子的移动速度比室温的慢。大卫·魏斯’宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组已经在一种新的基于原子的实验中使用这种方法,该实验一次将激光冷却的铯原子捕获长达几分钟,这比伯克利th实验的预期灵敏度提高了200倍。

帝国和耶鲁大学的研究组希望在他们进行冷分子实验时也能获得类似的推动。帝国集团计划通过使氟化the分子进入光束之前与4 K的氦蒸气接触来对其进行预冷。耶鲁大学的研究小组也正在研究一种缓冲气体冷却的气体源,但是哈佛大学的研究人员及其合作者计划改用一种新的分子一氧化th,该分子的场增强系数比氧化铅高,并且前景广阔。更长的互动时间。

未来理论家的艰难时期?

从理论上讲,有许多方法可以减小电子EDM的预测尺寸。例如,某些违反对称的效果可以部分抵消它。尽管如此,对标准模型的绝大多数扩展都预测EDM会在当前实验极限的几个数量级之内(图2)。因此,如果这些模型中的任何一个是正确的,并且如果目前正在开发的冷分子实验达到其全部潜力,那么不久的将来就应该测量非零EDM。这样的测量将提供有关宇宙中违反对称性的重要信息,这将有助于解释为什么我们看到的一切都是由物质而不是反物质构成的。另一方面,如果拟议的实验未找到10的非零电子EDM,–32 e 厘米级的水平,对于粒子理论家来说,生活可能确实变得非常困难。无效的结果将排除几乎所有现有的理论方法,并使我们当前的理论框架难以解释可见宇宙的内容。

对于大多数理论情况,基于对撞机的实验和EDM搜索是互补的。例如,对撞机可以创建和检测新型粒子,而EDM搜索无法做到;另一方面,大型强子对撞机无法测量颗粒的违反对称性。两种方法’灵敏度也相似:如果大型强子对撞机可以触及到新的粒子,则下一代EDM搜索范围内也应该有电子EDM。我们可能需要将两种测量方法结合起来才能充分说明我们所生活的宇宙。

但是,由于新粒子而导致的对称性违背将很强,并且不会被其他影响所抵消。如果是这种情况,并且EDM小于约10–29 e 厘米,那么任何新粒子的质量都将比大型强子对撞机(或其他对撞机)所能检测到的大。在这种情况下,EDM实验将是我们了解超越标准模型的物理学的唯一希望-所有这些甚至都不需要解离分子,更不用说碰撞质子了。

At a Glance: 电子’电偶极矩

  • 电偶极矩 de 两个带相反电荷的物体的电荷等于电荷的大小, q,乘以电荷分离距离 r,即 de = qr
  • Under the basic Standard Model of particle physics, electrons cannot 有一个永久的 电动 dipole moment (EDM) because this would violate 时间反转对称, which states that physical interactions should look the same if time were to flow in reverse
  • 标准模型理论的更复杂版本的确允许存在电子EDM,但他们预测电子EDM太小而无法在实验室中进行测量。因此,如果实验者可以找到非零的EDM,则表明存在超出标准模型的新物理学。
  • 现在有几个实验小组正在寻找原子或分子系统中的EDM。这些精密测量的结果已经排除了提议的标准模型扩展,而新一代的冷原子或分子实验应将其他实验纳入测试范围

更多 about: 电子’电偶极矩

比克曼 等。 2009 Preparation 和 detection of states with simultaneous 旋转 alignment 和 selectable 分子 orientation in PbO 物理版本A 80 023418
哈德森 等。 2002使用YbF分子测量电子电偶极矩 物理莱特牧师 89 023003
里根 等。 2002电子电偶极矩的新限制 物理莱特牧师 88 071805
伏塔 等。 2009用一氧化or寻找电子的电偶极矩 存档:0908.2412v1

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