Физики подтвердили круглость электрона новым методом
Дипольный момент электрона впервые удалось измерить с помощью захвата молекулярного иона в ионной ловушке. Новые измерения подтвердили, что дипольный момент очень очень близок к нулю, при этом точность измерений не уступает другим методам и в дальнейшем может быть еще увеличена. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.
Измерение дипольного момента электрона является ключевой задачей для подтверждения физических теорий, разработанных для расширения Стандартной модели. К возникновению электрического дипольного момента приводит отклонение заряда от центра, то есть фактически отклонение формы электрона от шарообразной. Согласно Стандартной модели, длина диполя электрона не превышает 10-38 сантиметра. Но для объяснения некоторых явлений, которые не могут быть описаны в рамках Стандартной модели, у нее существуют некоторые дополнения (в частности, теория суперсимметрии), которые предполагают, что дипольный момент у электрона, хоть и очень маленький, но все же есть. Если эти гипотезы верны, то длина электрического диполя электрона составляет от 10-30 до
10-27 сантиметра.
Точнее всего определить дипольный момент электрона сейчас можно с помощью исследования вращающихся пучков нейтральных атомов и молекул. К настоящему моменту при измерении дипольного момента электрона физикам удалось достичь точности около 10−29. При этом ни в одном из экспериментов пока не удалось измерить отличие дипольного момента от нуля и получить статистически достоверные данные, подтверждающие теорию суперсимметрии.
Американские физики предложили новый метод для измерения свойств электрона с помощью фиксации полярного иона в ионной ловушке. В качестве объекта исследования они использовали молекулярный ион HfF+ в ионной ловушке. Величину и скорость вращения электрического и магнитного полей в такой ловушке ученые подбирали таким образом, чтобы ионы удерживались в ловушке и при этом выстраивались вдоль линий поля. В такой системе, измеряя с помощью электронного спинового резонанса разницу между магнитными уровнями вращающегося иона, можно определить электрический дипольный момент электрона.
Основным достоинством такой системы является возможность достаточно долго удерживать ион в ловушке, собирая статистику. В данном случае ион фторида гафния физики смогли фиксировать в ловушке в течение 700 миллисекунд. В результате удалось получить около 360 часов данных, которые содержали более тысячи измерений дипольного момента.
Измеренный таким образом электрический дипольный момент оказался равен примерно 10−29 заряда электрона на сантиметр. Систематическая погрешность превышает это значение в 2 раза, а статистическая погрешность — в восемь. С учетом погрешности верхняя граница измеренного значения составила около 10-28. Полученное значение подтвердило таким образом точность измерений другими методами. По словам физиков, с помощью предложенной методики уже в ближайшее время можно будет увеличить точность измерений и получить окончательный ответ о верности гипотезы суперсимметрии.
Благодаря бурному развитию инструментальных методов, такие параметры элементарных частиц, как форма и размер, постоянно удается уточнять. Например, у радиуса протона была обнаружена некоторая неопределенность, и при измерениях в разных частицах ученые регистрировали разные значения. А совсем недавно ученые объяснили этот эффект квантовой интерференцией.
Александр Дубов
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.