Он поможет искать Новую физику
Американские физики изготовили зарядовый сенсор на основе оптически левитирующей микрочастицы. Благодаря компенсации электрического дипольного момента частицы за счет ее вращения они добились чувствительности в измерении электрического монополя, равной 3,3 × 10−5 элементарного заряда. Такой сенсор может быть полезен в поисках физики за пределами Стандартной модели. Исследование опубликовано в Science Advances.
Материя, организованная в форме микрочастиц, занимает особое место в физике. С одной стороны, такие частицы уже достаточно велики, чтобы было сравнительно просто визуализировать и воздействовать на них оптическими методами. Мы уже рассказывали, как ученые заставляют микрочастицы разбегаться, или, наоборот, собираться в случайный лазер, а также изготавливают из них оптические материалы с фотонной запрещенной зоной.
С другой стороны, частицы все еще достаточно легки, чтобы долго оставаться взвешенными в коллоидных растворах или быть подконтрольными действию оптического пинцета. В последнем случае силы пинцета достаточно, чтобы удерживать одну микрочастицу на нужной высоте. В этом случае говорят про оптическую левитацию. Подробнее про разные типы левитации, которые физики используют в своих лабораториях, читайте в материале «Левитация для маглов».
Оптически левитирующие частицы стали замечательным инструментом для симуляций многих тел за счет того, что в лазерном поле они поляризуются и потому могут электростатически взаимодействовать контролируемым образом, если оказываются подвешены поблизости. Таким способом физики научились управлять несимметричным взаимодействием и поняли, от чего зависит симпатическое охлаждение в такой системе.
Другим применением оптической левитации стали сенсорные технологии. Дело в том, что висящую микрочастицу можно хорошо экранировать от окружающих воздействий, и тогда ее поведение станет чувствительным к слабым полям. Это даже позволяет применять левитирующие частицы для поиска эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. Увеличение чувствительности таких сенсоров основано на подавлении мультипольных взаимодействий нейтральной частицы с неоднородностями полей, создаваемых экспериментальной установкой.
Идя по этому пути, группа физиков Надав Приэль (Nadav Priel) с коллегами из Стэнфордского университета построила зарядовый сенсор на основе левитирующих микрочастиц с чувствительностью, равной 3,3 × 10−5 элементарного заряда. Такое устройство способно чувствовать мельчайший дисбаланс электронной и протонной зарядовой плотности, а также искать гипотетические частицы с дробным электрическим зарядом (миллизаряженные частицы), что может внести свой вклад в поиск темной материи.
Чувствительность оптически левитирующих зарядовых сенсоров основана на том, что масштаб сил, действующих на подвешенную в лазерном поле микрочастицу существенно меньше такового на макроскопическом уровне. Добавление или извлечение в частицу всего лишь одного элементарного заряда в присутствии электрического поля может сильно повлиять баланс сил, что довольно легко зафиксировать. Мы уже рассказывали, как этот эффект можно измерить с помощью обычной линейки.
Для поиска миллизаряженных частиц, потенциально содержащихся в подвешенной микросфере, чувствительность сенсора должна быть существенно выше. Задача усложняется тем, что даже в условии полной электрической нейтральности рабочее микротело сенсора все еще подвержено действию сил, обусловленных собственным и наведенным электрическим дипольным моментом, который характеризует то, насколько неоднородно заряды распределены по микрочастице. Дипольный момент у микрочастиц невозможно выключить. Однако его вклад в движение рабочего тела можно подавить, если проводить долгосрочное усредненное измерение, в котором дипольный момент будет постоянно менять направление.
Для реализации этой идеи физики подвешивали оптическим пинцетом кремниевые микрочастицы диаметром около 7,5 микрометра внутри куба, образованного шестью электродами в форме усеченных пирамид. В электродах были проделаны отверстия для механического и оптического доступа к середине, а в рабочей камере поддерживался вакуум. Положение рабочего микротела в горизонтальной плоскости ученые определяли с помощью камеры по рассеянному им свету, для контроля вертикальной координаты они следили за фазой отраженного света. Перед экспериментом авторы добивались нейтральности микрочастиц, добавляя или отбирая у них электроны с помощью ультрафиолетовых импульсов.
После подготовки и подвешивания микрочастиц в оптическом пинцете с длиной волны 1064 нанометра физики раскручивали их в горизонтальной плоскости, прикладывая синусоидальное напряжение на боковые электроды с частотой порядка сотни килогерц. Затем ученые на десять секунд поочередно прикладывали низкочастотное синусоидальное напряжение к верхнему и нижнему электродам и измеряли положение частицы, после чего цикл измерения повторялся в течение нескольких часов. Такой подход позволил скомпенсировать вертикальные компоненты дипольного момента.
Физики экспериментировали с различными параметрами установки: амплитудами и частотами напряжений, расстояниями между электродами, длительностью экспериментов. Комбинируя все результаты, они добились чувствительности, равной 3,3 × 10−5 элементарного заряда. По словам автором, ряд улучшений позволит в ближайшее время довести чувствительность установки до 4 × 10−8, в то время как фундаментальный предел технологии лежит в области 10−11 единиц элементарного заряда, что сопоставимо с астрономическими методами поиска миллизаряженных частиц. Другим применением левитирующего сенсора станет проверка нейтральности материи, то есть разницы в зарядах протона и электрона.
Хотя Стандартная модель не допускает свободных зарядов, меньше элементарного, а также отклонения от него для разных частиц, это все может быть лишь приближением к реальной картине мира. Другими экспериментами по поиску Новой физики в похожем ключе стали поиск электрического заряда у нейтрона и поиск различий между протоном и антипротоном.