Дипольный момент электрона впервые удалось измерить с помощью захвата молекулярного иона в ионной ловушке. Новые измерения подтвердили, что дипольный момент очень очень близок к нулю, при этом точность измерений не уступает другим методам и в дальнейшем может быть еще увеличена. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Измерение дипольного момента электрона является ключевой задачей для подтверждения физических теорий, разработанных для расширения Стандартной модели. К возникновению электрического дипольного момента приводит отклонение заряда от центра, то есть фактически отклонение формы электрона от шарообразной. Согласно Стандартной модели, длина диполя электрона не превышает 10^-38 сантиметра. Но для объяснения некоторых явлений, которые не могут быть описаны в рамках Стандартной модели, у нее существуют некоторые дополнения (в частности, теория суперсимметрии), которые предполагают, что дипольный момент у электрона, хоть и очень маленький, но все же есть. Если эти гипотезы верны, то длина электрического диполя электрона составляет от 10–30 до 10–27 сантиметра.

Точнее всего определить дипольный момент электрона сейчас можно с помощью исследования вращающихся пучков нейтральных атомов и молекул. К настоящему моменту при измерении дипольного момента электрона физикам удалось достичь точности около 10−29. При этом ни в одном из экспериментов пока не удалось измерить отличие дипольного момента от нуля и получить статистически достоверные данные, подтверждающие теорию суперсимметрии.

Ловушка молекулярных ионов для измерения дипольного момента электрона. JILA

Американские физики предложили новый метод для измерения свойств электрона с помощью фиксации полярного иона в ионной ловушке. В качестве объекта исследования они использовали молекулярный ион HfF+ в ионной ловушке. Величину и скорость вращения электрического и магнитного полей в такой ловушке ученые подбирали таким образом, чтобы ионы удерживались в ловушке и при этом выстраивались вдоль линий поля. В такой системе, измеряя с помощью электронного спинового резонанса разницу между магнитными уровнями вращающегося иона, можно определить электрический дипольный момент электрона.

Схема и принцип работы установки для измерения дипольного момента электрона с помощью захвата молекулярного иона. W. B. Cairncross et al./ Physical review Letters, 2017

Основным достоинством такой системы является возможность достаточно долго удерживать ион в ловушке, собирая статистику. В данном случае ион фторида гафния физики смогли фиксировать в ловушке в течение 700 миллисекунд. В результате удалось получить около 360 часов данных, в которые содержали более тысячи измерений дипольного момента.

Измеренный таким образом электрический дипольный момент оказался равен примерно 10−29 заряда электрона на сантиметр. Систематическая погрешность превышает это значение в 2 раза, а статистическая погрешность — в восемь. С учетом погрешности верхняя граница измеренного значения составила около 10–28. Полученное значение подтвердило таким образом точность измерений другими методами. По словам физиков, с помощью предложенной методики уже в ближайшее время можно будет увеличить точность измерений и получить окончательный ответ о верности гипотезы суперсимметрии.

Благодаря бурному развитию инструментальных методов, такие параметры элементарных частиц, как форма и размер, постоянно удается уточнять. Например, у радиуса протона была обнаружена некоторая неопределенность, и при измерениях в разных частицах ученые регистрировали разные значения. А совсем недавно ученые объяснили этот эффект квантовой интерференцией.

Автор: Александр Дубов