Наука и образование

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ продолжают исследования по поиску электрического дипольного момента электрона

В конце 2022 года на катионе HfF⁺ получено новое уникальное ограничение на электрический дипольный момент электрона (еЭДМ) d_e<4·10^-30 e·cм [1]. Поиски еЭДМ являются одним из ключевых компонентов экспериментальных исследований по поиску Новой Физики на молекулах. В Стандартной модели величина еЭДМ сильно подавлена. С другой стороны, в сценариях новой физики эта величина может быть на много порядков больше и доступна для измерения в существующих экспериментах. Обнаружение еЭДМ, нарушающего симметрии фундаментальных взаимодействий относительно инверсии пространства и обращения времени, на уровне, существенно большем предсказаний Стандартной модели, поможет решить проблему барионной асимметрии Вселенной.

Измерения еЭДМ на молекулярных катионах (таких как HfF⁺ и ThF⁺), по сути, представляют из себя высокоточные спектроскопические эксперименты так называемых уровней противоположной чётности, Ω-дублетов, во внешних вращающихся электрических и магнитных полях. Такие уникальные по точности измерения с неизбежностью подвержены различным систематическим эффектам, которые могут проявить себя как ложный сигнал еЭДМ. Эти эффекты существуют не только из-за неточности аппаратуры, но и как детально исследуется в лаборатории квантовой химии ОПР и из-занеидеальности” самих молекул (например, небольшое отличие свойств уровней Ω-дублетов). Трудность с изучением последних обусловлена тем, что молекула, содержащая атом тяжелого элемента во внешних динамических полях — это весьма нетривиальный объект для современной квантовой теории. Вместе с тем в ЛКХ ОПР разработан соответствующий метод расчета [2,3], который учитывает множество возмущений в спектре молекулы. Первые расчеты в рамках данного подхода [2,3] показали существенное расхождение теоретических значений спектра Ω-дублетов и соответствующих данных первого этапа эксперимента на HfF⁺ (2017 г. d_e<1.3·10^-28 [4]), что указало на переоценку систематических эффектов.  Расхождение исчезло с появлением более точных экспериментальных данных в 2022 г. Обсуждение результатов расчетов и последних измерений с группой экспериментаторов под руководством Э. Корнелла (E. Cornell) и Дж. Е (J. Ye) привело к новому анализу экспериментальных данных и опубликованию теоретических расчетов в работе [5]. В качестве примера на рисунке приведены рассчитанные и экспериментальные частоты f⁰ и f^D, которые есть среднее значение и разность энергетических расщеплений уровней Ω-дублетов, соответственно. Достигнутое согласие теории и эксперимента очень важно как для развития современной молекулярной теории, так и для понимания возможных систематических ошибок в эксперименте. Это обстоятельство является критически важным для дальнейших работ по измерению еЭДМ, в которых предполагается дальнейшее поднятие точности измерений и приближение к уровню систематики.

Отметим также, что анализ экспериментальных данных уровней Ω-дублетов еще ничего не говорит о значении ограничения на сам еЭДМ, что является основной целью данного направления исследований. Для извлечения последнего нужно знать переводной коэффициент – так называемое эффективное электрическое поле, действующее на еЭДМ. Его расчет является весьма сложной задачей, одной из важных составляющих поиска еЭДМ [6,7], потребовавшей привлечения лучших в настоящее время теоретических подходов, существенная часть которых была также разработана в ЛКХ.  

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg4084

[2] https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.022508

[3] https://doi.org/10.1103/PhysRevA.97.052504

[4] https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.153001

[5] https://doi.org/10.1103/PhysRevA.107.062814

[6] http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.79.012505

[7] https://doi.org/10.1063/1.4993622