JILA-fysiker har för första gången använt sin snurrande molekylteknik för att mäta elektronens "rundhet", bekräftar de ledande resultaten från en annan grupp och föreslår att mer exakta bedömningar är möjliga.

Forskarna fångade och snurrade elektriskt laddade molekyler (joner) för att mäta deras elektroners symmetri, tekniskt känt som elektronens elektriska dipolmoment (eEDM), vilket är likformigheten av laddningen mellan elektronens två poler. Små avvikelser från perfekt elektronrundhet (en annan eEDM än noll) skulle ge nya insikter i fundamental fysik, inklusive värdena för naturkonstanter under universums tidigaste historia och om nuvarande fysikteorier är korrekta. eEDM-experimentet banar också väg för ny teknik för precisionsmätning.

Som rapporterats i Fysiska granskningsbrev , JILA-teamet rapporterade en övre gräns på eEDM på 1,3 x 10 ^-28 e-cm – ett mycket litet tal som indikerar att elektronen i huvudsak är rund – vilket bekräftar ett resultat från 2014 av The ACME Collaboration.

JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"Vårt svar är att en elektrons elektriska dipolmoment är mycket litet, överensstämmer med noll, " NIST/JILA-stipendiat Eric Cornell sa. "Vi är egentligen bara en bekräftande mätning, inte sätta en ny gräns, men det är viktigt eftersom vi använder ett tillvägagångssätt som skiljer sig radikalt från alla tidigare mätningar. Det faktum att vi ändå får samma svar eliminerar i stort sett möjligheten att vi helt enkelt har fel, eller att den andra gruppen gjorde det."

JILA-arbetet gav oberoende bekräftelse av ACME:s resultat med hjälp av ett annat fysiskt system och experimentell teknik, inklusive en speciell fälla utvecklad 2013. Metoden ger unika fördelar, särskilt långa mätningsperioder, erbjuder framtida potential för känsligare eEDM-sökningar och andra tester av grundläggande fysik.

Cornell har ägnat mycket av det senaste decenniet åt eEDM-uppdraget.

"Ny partikelfysik har upptäckts från mätningar av andra precisionsdipolmoment, " Cornell förklarade. "EDM är som ett stort teleskop som tittar på rester av asymmetri kvar från Big Bang för 14 miljarder år sedan. Universum som vi ser det idag existerar bara för att långt tillbaka i tiden fanns det lite fler partiklar än antipartiklar. Vi letar efter moderna fossiler av den gamla asymmetrin, och en trolig kandidat skulle vara en elektron som är missformad, så att dess spegelbild ser annorlunda ut. Det faktum att vi inte har sett det fossilet än är förvånande, men det är också en ledtråd."

JILA-tekniken spinner hafniumfluoridjoner, "polära" molekyler med en positiv laddning i ena änden ("polen") och en negativ laddning i den andra polen. Polära molekyler kan fångas och manipuleras med elektriska fält för att förbli i önskade tillstånd under relativt långa tidsperioder - 700 millisekunder i det nya experimentet, nästan 700 gånger längre än de bästa konkurrerande metoderna (termiska strålar av neutrala atomer eller molekyler).

JILA-forskare roterar elektriska och magnetiska fält tillräckligt snabbt för att fånga de molekylära jonerna men långsamt nog för att jonerna ska passa in i det elektriska fältet. Jonerna roterar sedan i individuella mikrocirklar
medan forskare mäter deras egenskaper. Det elektriska fältet inuti molekylerna förstärker den potentiella signalen för eEDM, vilket är skillnaden mellan två magnetiska energinivåer.

JILA-forskare samlade in 360,3 timmars data, inklusive 1, 024 eEDM-mätningar. Teamet använde en mängd olika tekniker för att hitta och korrigera för systematiska fel.

Inom en snar framtid, forskare förväntar sig att fördubbla sin mätkänslighet med en ny jonfälla, som kommer att innehålla dubbelt så många joner, kyl dem till en volym som är upp till 100 gånger större, och använd ett mer enhetligt roterande elektriskt fält.

Den roterande fälttekniken kan vara användbar i andra experiment. Till exempel, kvantbitar som används i kvantberäkning kan hålla information längre i elektriska och magnetiska energinivåer än i mer vanligt använda kvanttillstånd. Dessutom, den nya tekniken kan användas för att undersöka eventuella variationer över tiden i de grundläggande "konstanter" i naturen som används i vetenskapliga beräkningar.