Nueva medida de precisión del momento dipolar eléctrico del electrón

Dibujo20171028 Apparatus schematic for eEDM measurement using trapped ions PhysRevLett 119 153001

La distribución de carga del electrón es la esfera más perfecta que se ha logrado medir (LCMF, 25 May 2011). Esta medida se realizó de forma indirecta, gracias a limitar el valor máximo del momento dipolar eléctrico (EDM) del electrón, d. En el año 2011 se publicó en Nature que |d|<1,05 × 10−27 e cm, al 90% CL; en 2014 ACME publicó en Science que |d|<9,4 × 10−29 e cm, al 90% CL. Ahora JILA EDM publica en Physical Review Letters que |d|<1,3 × 10−28 e cm, al 90% CL; este valor, 1,5 mayor que el de ACME, es interesante porque fomenta la competencia entre ellos. Tanto JILA como ACME han prometido que, en menos de un año, reducirán el error en un factor de 20. Gracias a ello se allana el camino hacia la medida más precisa de la esfericidad del electrón.

¿Por qué es importante conocer el valor del EDM? Las correcciones cuánticas en el modelo estándar de la física de partículas inducen un valor para el EDM del electrón diferente de cero, en concreto, |d| ~ 10−38 e cm (ese valor está asociado a términos que violan la simetría CP). Dicho valor es tan pequeño que parece imposible medirlo. Sin embargo, la mayoría de las extensiones del modelo estándar predicen un valor del EDM muchos órdenes de magnitud mayor (gracias a violaciones de la simetría PT). Por ello una medida del EDM del electrón podría ser la primera señal de física más allá del modelo estándar.

El nuevo artículo es William B. Cairncross, Daniel N. Gresh, …, Eric A. Cornell (JILA), “Precision Measurement of the Electron’s Electric Dipole Moment Using Trapped Molecular Ions,” Phys. Rev. Lett. 119: 153001 (09 Oct 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.153001, arXiv:1704.07928 [physics.atom-ph]; más información en Nicholas R. Hutzler, “Trapped Ions Test Fundamental Particle Physics,” Physics 10: 111 (09 oct 2017). La medida más precisa es The ACME Collaboration, “Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron,” Science 343: 269-272 (17 Jan 2014), doi: 10.1126/science.1248213; su artículo más reciente es J. Baron, W. C. Campbell, …, I. Kozyryev, “Methods, analysis, and the treatment of systematic errors for the electron electric dipole moment search in thorium monoxide,” New Journal of Physics 19: 071001 (25 Jul 2017), doi: 10.1088/1367-2630/aa708e.

Dibujo20171028 JILA eEDM experiment e111_2 physics aps org

El experimento JILA EDM es uno de los experimentos del instituto JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) de la Universidad de Colorado, Boulder, EE.UU., liderado por Eric Cornell. Medir el EDM del electrón parece fácil, basta estudiar el espín de un electrón individual en un campo eléctrico muy intenso; el problema es cómo generar un campo eléctrico muy intenso. La Naturaleza ya nos lo ofrece en las moléculas polares con átomos muy pesados; en ellas los electrones se mueven a velocidades relativistas y están sometidos a campos eléctricos millones de veces más intensos que los podemos generar en un laboratorio. El experimento JILA EDM usa moléculas polares de HfF+ (formada por átomos de hafnio 180Hf y flúor 19F).

ACME (Advanced Cold Molecule EDM) usaba un haz de moléculas neutras de ThO. El problema de los experimentos que usan haces de moléculas es que la medida se debe realizar muy rápido (en pocos milisegundos). Una medida más precisa requiere tiempos de medida cientos de veces más largos. El experimento JILA EDM se atrapan las moléculas ionizadas en un campo eléctrico rotatorio dentro de una cámara de ultravacío; las moléculas atrapadas describen una trayectoria circular que permite alcanzar tiempos de medida de hasta 0,7 segundos. En estas trampas, el espín del electrón más externo del HfF+ realiza un movimiento de precesión; la medida del ángulo de precesión permite acotar el valor del EDM del electrón.

Dibujo20171028 Electron spin resonance spectroscopy eEDM measurement PhysRevLett 119 153001

Sin entrar en los detalles técnicos de la nueva medida, lo más relevante son las promesas para el futuro. La nueva generación del experimento JILA EDM logra atrapar diez veces más moléculas, en un volumen cien veces mayor y permite una medida un orden de magnitud más precisa; sus resultados se publicarán en menos de un año. Además, en JILA EDM ya están planeando un experimento con moléculas de ThF+ (formada por átomos de torio 232Th y flúor 19F), en las que el campo eléctrico sobre el electrón es aún más intenso. Por supuesto, en ACME tampoco están con los brazos cruzados y han realizado mejoras en su experimento con haces de moléculas que logran incrementar el tiempo de medida; su investigador principal ha prometido que en menos de un año se publicará una medida 20 veces más precisa.


4 Comentarios

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Jaime RudasJaime Rudas

Al final del penúltimo párrafo dices:
«[…] la medida del ángulo de precisión permite acotar el valor del EDM del electrón».
¿No será ángulo de precEsión?

notengoniideanotengoniidea

Y sin tanta colisión XD ni factura de electricidad, seguro que es test del modelo estándar más barato que existe en la actualidad.

¿La molécula de THF+ es la más dipolar que existe o es la más dipolar que pueden utilizar en el experimento?

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