I fisici JILA hanno usato per la prima volta la loro tecnica delle molecole rotanti per misurare la "rotondità" dell'elettrone, confermando i risultati principali di un altro gruppo e suggerendo che sono possibili valutazioni più precise.

I ricercatori hanno intrappolato e fatto ruotare molecole (ioni) caricate elettricamente per misurare la simmetria dei loro elettroni, tecnicamente noto come momento di dipolo elettrico dell'elettrone (eEDM), che è l'uniformità della carica tra i due poli dell'elettrone. Piccole deviazioni dalla perfetta rotondità elettronica (un eEDM diverso da zero) fornirebbe nuove intuizioni sulla fisica fondamentale, compresi i valori delle costanti naturali durante la prima storia dell'universo e se le attuali teorie fisiche sono corrette. L'esperimento eEDM apre anche la strada a nuove tecnologie di misurazione di precisione.

Come riportato in Lettere di revisione fisica , il team JILA ha riportato un limite superiore sull'eEDM di 1.3 x 10 ^-28 e-cm, un numero minuscolo che indica che l'elettrone è essenzialmente rotondo, confermando così un risultato del 2014 di The ACME Collaboration.

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

"La nostra risposta è che il momento di dipolo elettrico di un elettrone è molto piccolo, coerente con zero, "NIST/JILA Fellow Eric Cornell ha detto. "Siamo davvero solo una misura di conferma, non ponendo un nuovo limite, ma è importante perché usiamo un approccio che è radicalmente diverso da tutte le misurazioni precedenti. Il fatto che otteniamo comunque la stessa risposta elimina praticamente la possibilità che abbiamo semplicemente sbagliato, o che l'altro gruppo ha fatto."

Il lavoro JILA ha fornito una conferma indipendente del risultato di ACME utilizzando un diverso sistema fisico e tecnica sperimentale, inclusa una trappola speciale sviluppata nel 2013. Il metodo offre vantaggi unici, tempi di misurazione particolarmente lunghi, offrendo un potenziale futuro per ricerche eEDM più sensibili e altri test di fisica fondamentale.

Cornell ha dedicato gran parte dell'ultimo decennio alla ricerca eEDM.

"Nuova fisica delle particelle è stata scoperta da misurazioni di altri momenti di dipolo di precisione, " Ha spiegato Cornell. "L'EDM è come un grande telescopio che osserva i resti di asimmetria lasciati dal Big Bang 14 miliardi di anni fa. L'universo come lo vediamo oggi esiste solo perché molto tempo fa, quando c'erano poche particelle in più rispetto alle antiparticelle. Stiamo cercando fossili moderni di quell'antica asimmetria, e un probabile candidato sarebbe un elettrone deforme, in modo che la sua immagine speculare appaia diversa. Il fatto che non abbiamo ancora visto quel fossile è sorprendente, ma è anche un indizio".

La tecnica JILA fa girare ioni di fluoruro di afnio, Molecole "polari" con una carica positiva ad un'estremità ("polo") e una carica negativa all'altro polo. Le molecole polari possono essere intrappolate e manipolate con campi elettrici per rimanere negli stati desiderati per periodi di tempo relativamente lunghi:700 millisecondi nel nuovo esperimento, quasi 700 volte più lungo dei migliori metodi concorrenti (fasci termici di atomi o molecole neutri).

I ricercatori di JILA ruotano i campi elettrici e magnetici abbastanza velocemente da intrappolare gli ioni molecolari, ma abbastanza lentamente da consentire agli ioni di allinearsi con il campo elettrico. Gli ioni quindi ruotano in singoli microcerchi
mentre gli scienziati ne misurano le proprietà. Il campo elettrico all'interno delle molecole amplifica il segnale potenziale di eEDM, che è la differenza tra due livelli di energia magnetica.

I ricercatori JILA hanno raccolto 360,3 ore di dati, di cui 1, 024 misurazioni eEDM. Il team ha utilizzato una varietà di tecniche per trovare e correggere errori sistematici.

Nel futuro prossimo, i ricercatori si aspettano di raddoppiare la loro sensibilità di misurazione utilizzando una nuova trappola ionica, che conterrà il doppio degli ioni, raffreddarli a un volume fino a 100 volte maggiore, e utilizzare un campo elettrico rotante più uniforme.

La tecnica del campo rotante può essere utile in altri esperimenti. Ad esempio, i bit quantistici utilizzati nell'informatica quantistica potrebbero contenere le informazioni più a lungo nei livelli di energia elettrica e magnetica rispetto agli stati quantistici più comunemente usati. Inoltre, la nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per indagare eventuali variazioni nel tempo delle "costanti" fondamentali della natura utilizzate nei calcoli scientifici.