Mômen lưỡng cực điện của electron rất nhỏ, nhưng đo được

Dhiren Kara ở trường Imperial College đang điều chỉnh hệ thống laser dùng để đo EDM của electron. (Ảnh: Mike Tarbutt)

Việc đo một tính chất cơ bản mà Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt nói là sẽ bằng không có vẻ như là một sự lãng phí thời gian hết sức. Nhưng nếu electron thật sự có một mômen lưỡng cực điện (EDM) khác không, thì điều đó sẽ có những hàm ý quan trọng và hướng đến nền vật lí mới. Nay Jony Hudson và các đồng nghiệp tại trường Imperial College London vừa tiến hành phép đo EDM chính xác nhất từ trước đến nay, giảm giới hạn trên của nó xuống khoảng 50% - và mang đến thêm bằng chứng rằng hoặc là nó bằng không, hoặc là nó cực kì nhỏ.

Mô hình Chuẩn, ở dạng đơn giản nhất của nó, cấm electron có EDM vì điều này sẽ vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian. Trong khi những phiên bản phức tạp hơn của Mô hình Chuẩn thật sự cho phép EDM, nhưng chúng cho rằng giá trị đó quá nhỏ để mà đo trong phòng thí nghiệm. Mặc dù đội của Hudson chỉ có thể đặt ra một giới hạn trên đối với EDM, nhưng họ khẳng định kĩ thuật mới của họ có thể tinh chỉnh để tìm kiếm một EDM nhỏ hơn 100 lần nữa.

Các phân tử phân cực

Trong phương pháp của họ, các nhà nghiên cứu khảo sát các electron lớp ngoài (hay electron hóa trị) ở các phân tử ytterbium monofluoride (YbF). Các phân tử đó được đặt trong một điện trường, điện trường làm các phân tử đó bị phân cực. Sự phân cực này tạo ra một điện trường địa phương rất lớn trong vùng phụ cận của các electron hóa trị. Nếu các electron có EDM, thì chúng cũng bị phân cực bởi điện trường địa phương lớn như thế này.

Nhưng thay vì tìm cách đo trực tiếp một EDM nhỏ xíu, Hudson và đồng nghiệp cố gắng đo lấy tác dụng mà sự phân cực đó sẽ có đối với các trạng thái năng lượng electron của các phân tử. Họ bắt đầu với một xung phân tử cực lạnh được đưa vào sự chồng chất của hai trạng thái lượng tử. Các phân tử đi qua giữa hai bản song song nhau, nơi điện trường và từ trường có thể đặt vào. Khi đó, các phân tử được phát hiện ra lúc chúng ló ra khỏi các bản.

Trong sự có mặt của từ trường, pha tương đối của hai trạng thái lượng tử bị quay đi. Thay đổi cường độ của từ trường gây ra sự giao thoa lượng tử giữa hai trạng thái đó và kết quả là một dải vân giao thoa tại máy dò.

Sự tác dụng thêm điện trường sẽ chỉ ảnh hưởng đến hệ vân giao thoa này nếu như electron có EDM vì điện trường này sẽ mang lại chuyển động quay pha riêng. Để kiểm tra điều này, đội nghiên cứu đã khảo sát những biến đổi ở hệ vân giao thoa có tương quan với những thay đổi ở điện trường đặt vào. Thao tác này được thực hiện với 25 triệu xung YbF và không tìm thấy bằng chứng nào của sự lệch pha liên quan đến EDM.

Nhỏ hơn bề rộng sợi tóc người

Kết quả này cho phép đội nghiên cứu thiết lập một giới hạn trên đối với EDM là 10,5 × 10^–28 e cm với độ tin cậy 90%. Theo các nhà nghiên cứu, điều này có nghĩa là nếu electron được phóng đại đến kích cỡ của hệ mặt trời, thì EDM của nó sẽ chẳng lớn hơn bề rộng của một sợi tóc người.

Kết quả này tốt hơn chừng 50% so với những phép đo trước đây sử dụng các nguyên tử thallium và đội nghiên cứu tin rằng họ có thể sớm cải thiện kết quả trên lên thêm 100 lần nữa. Các nhà nghiên cứu trên hiện đang thử làm lạnh các phân tử YbF đến những nhiệt độ thấp hơn nữa và thu được sự điều khiển tốt hơn đối với các xung khi chúng đi qua thí nghiệm.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature 473 493.

Nguồn: physicsworld.com