Físicos medem o momento dipolo elétrico do elétron com precisão sem precedentes

Físicos da Universidade do Colorado, em Boulder, EUA, determinaram a forma da distribuição de carga do elétron com uma precisão sem precedentes. Liderada por Eric Cornell e Jun Ye, a equipe descobriu que qualquer desequilíbrio nesta distribuição de carga – o momento de dipolo elétrico do elétron, ou eEDM – deve ser inferior a 4,1 x 10-30 e cm, com uma incerteza de 2,1×10-30 e cm. Esta precisão equivale a medir o tamanho da Terra dentro das dimensões de um vírus, e o resultado tem implicações importantes na busca de novas partículas além do Modelo Padrão.

Uma maneira de procurar novas partículas é fazê-lo diretamente, esmagando partículas conhecidas em grandes aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), a energias cada vez maiores. A alternativa é fazê-lo indiretamente, procurando sinais reveladores de novas partículas na distribuição de carga do elétron. Este é o método utilizado pela equipe do CU-Boulder e permite que a pesquisa seja realizada em uma mesa de laboratório.

O elétron tem um momento magnético devido ao seu spin e pode ser considerado uma carga rotativa gerando um dipolo magnético. Em contraste, um momento de dipolo elétrico (EDM) só poderia ocorrer se a distribuição de carga do elétron fosse ligeiramente distorcida. A presença de tal distorção significaria que o elétron não obedeceria mais à simetria de reversão do tempo, que é o requisito fundamental para que a física seja a mesma, quer o tempo flua para frente ou para trás.

Para entender por que essa simetria seria violada, consideremos o que aconteceria se o tempo fosse revertido. O elétron giraria então na direção oposta e a direção de seu momento magnético mudaria. O eEDM, no entanto, é resultado de uma distorção permanente da carga, pelo que permaneceria inalterado. Isto é um problema, porque se começarmos com ambos os momentos paralelos, uma reversão no tempo fará com que sejam antiparalelos, violando a simetria do tempo.

O Modelo Padrão – a melhor estrutura atual para as forças e partículas que compõem o universo – permite apenas uma pequena quantidade de violação da simetria do tempo, por isso prevê que o momento de dipolo elétrico do elétron não pode ser superior a ~10-36 e cm. Isso é muito pequeno para ser testável experimentalmente, mesmo com equipamentos de última geração.

No entanto, extensões do Modelo Padrão, como a supersimetria, prevêem a existência de muitas novas partículas com energias superiores às descobertas até agora. Essas novas partículas interagiriam com o elétron para dar-lhe um eEDM muito maior. A busca por um eEDM diferente de zero é, portanto, uma busca por uma nova física além do Modelo Padrão e uma busca por um “marcador” de novas partículas.

Para medir o eEDM, os pesquisadores da CU-Boulder detectam como um elétron oscila em um campo magnético e elétrico externo. Esta oscilação, ou precessão, é semelhante à rotação de um giroscópio num campo gravitacional. Quando um elétron é colocado dentro de um campo magnético, ele irá precessar em uma frequência específica graças ao seu momento magnético. Se o elétron também tiver um EDM, a aplicação de um campo elétrico alterará essa taxa de precessão: se o elétron estiver orientado em uma direção em relação ao campo elétrico, a frequência de precessão aumentará; se estiver “apontando” na outra direção, a taxa diminuirá.

“Somos capazes de determinar o eEDM medindo a diferença de frequência dessa oscilação, uma vez com o elétron orientado em uma direção e novamente com ele na outra”, explica Trevor Wright, estudante de doutorado na CU-Boulder e co-autor de um artigo na Science descrevendo os resultados.

Em vez de estudar um elétron por conta própria, os pesquisadores monitoram a frequência de precessão de um elétron dentro dos íons moleculares de fluoreto de háfnio (HfF+). O campo elétrico interno desses íons torna a diferença de frequência muito maior e, ao confinar os íons em uma armadilha, os pesquisadores conseguiram medir a precessão do elétron por até três segundos, explica Trevor. Na verdade, os investigadores tinham um controlo tão bom sobre as moléculas que foram capazes de medir a frequência de precessão com uma precisão de dezenas de µHz.