Дипольный момент электрона: измерения в молекулярных пучках

Автор:  А.П.Крашенинников, Phys.Web.Ru

 Множатся сообщения о результатах экспериментов, выходящих за рамки Стандартной модели в физике элементарных частиц. В университете графства Сассекс (Великобритания) исследователи под руководством Эда Хайндса (Ed Hinds, Sussex University) провели измерения электрического дипольного момента электрона (http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ex/0202014). Эти исследования позволят ученым получить информацию о наличии внутренней стуктуры электрона как частицы - распределение электрического заряда в нем. Электрический дипольный момент электрона характеризует среднее расстояние от центра масс частицы до гипотетических ее составляющих с дробным электрическим зарядом. Направление дипольного момента электрона должно быть параллельно спину, поскольку за счет спинового "движения" любая перпендикулярная спину составляющая момента в среднем по времени даст нуль. Это означает, что скалярное произведение спинового и дипольного моментов является внутренней характеристикой электрона.

Поскольку при обращении времени проекция спина на выделенное направление меняет знак, электрический дипольный момент электрона для выполнения принципа T-инвариантности (инвариантность относительно обращения времени - один из постулатов Стандартной модели) должен быть равен нулю. Любое другое значение дипольного момента свидетельствовало бы о необходимости пересмотра современных представлений о строении вещества на субчастичном уровне.

При полуклассическом рассмотрении можно говорить, что дипольный момент электрона во внешнем электрическом поле стремится выровняться вдоль силовых линий поля, в результате чего спин электрона начинает прецессировать вокруг выделенного полем направления подобно гироскопу. Затем исследователи сравнивают долю энергии электрического поля, поглощенную электроном в состояниях "дипольный момент по полю" и "дипольный момент против поля". Основным недостатком такой методики является тот факт, что под действием электрического поля электрон ускоряется и создает вокруг себя магнитное поле, которое воздействует на спиновый магнитный момент электрона и также влияет на характер прецессии спина.

Достоинством технологии измерения электрического дипольного момента электрона в молекуле, а не в отдельном атоме, как это обычно бывает, является то, что в молекулах значения электрического поля могут быть существенно выше, поэтому нежелательные магнитные эффекты маскируются.

В работе английских ученых исследовался фторид иттербия (YbF). В этом соединении наблюдается сильная ионная связь, благодаря которой уже в средних электростатических полях молекула поляризуется. Суперпозиция внешнего и внутримолекулярного полей вызывает сильное кулоновское притяжение иона иттербия к иону фтора, удаленного всего на несколько ангстрем (десятых долей нанометра.

Дальнейшее уменьшение роли нежелательных магнитных эффектов происходит вследствие того, что молекулярная орбиталь имеет почти цилиндрическую форму, в отличие от орбиталей в одиночном атоме, симметрия которых близка к сферической. В результате молекула становится "нечувствительной" к магнитным полям, перпендикулярным ее оси.

Хайндс с сотрудниками разработали интерферометр, измеряющий дипольный момент в пучке молекул фторида иттербия. Для разделения квантовых состояний с противоположными направлениями спина использовался лазер. Электрические диполи передают различную энергию каждому из двух состояний, изменяя их фазовые соотношения. При рекомбинации состояний амплитуда волновой функции пучка заметно (измеримо) уменьшается.

В результате проведенных измерений была установлена "оценка сверху" на величину дипольного момента электрона, значение которой составило (ecm, заряд электрона * метр). В опытах, проведенных в прошлом году Реганом и Комминсом (Chris Regan and Eugene Commins) в Калифорнийском университете в Беркли (University of California, Berkeley) точность, однако, была еще выше: 10-27 ecm.

Тем не менее, Хайндс полагает, что в ближайшее время эта точность будет улучшена именно в опытах с молекулярными пучками. Такие измерения, полагает он, помогут физикам сделать выбор между различными теориями, выдвинутыми в качестве обобщения физики элементарных частиц и предсказывающими разные значения для дипольного момента.

Эдвин Картлидж (Edwin Cartlidge), редактор новостного раздела журнала Physics World.