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Físicos miden el Momento Dipolar Químico del electrón usando iones moleculares atrapados


Las moléculas polares son sistemas deseables para simulaciones cuánticas y de química fría. Los iones moleculares se atrapan fácilmente, pero un campo eléctrico de polarización aplicado para polarizarlos tiende a acelerarlos fuera de la trampa.

En una serie de experimentos cada vez más sensibles en los últimos 30 años, los investigadores han establecido que si la forma del electrón tiene alguna distorsión, la protuberancia debe ser menor a 1 mil billones de billones de milímetro (10-27 mm).

Un grupo de científicos del instituto de investigación de JILA, en la Universidad de Colorado en Boulder, ha demostrado lo que se describe como un enfoque "radicalmente diferente" que explora los electrones dentro de partículas cargadas grandes.

Ed Hinds, del Imperial College de Londres, califica el nuevo enfoque de "brillante", porque promete ayudar a reducir aún más la incertidumbre y quizás revele una distorsión real.

Antecedentes
La forma del huevo del electrón, si es real, sería cuantificada por lo que se conoce como "Momento dipolar químico" (MDQ). Mientras que los científicos suelen pensar en el electrón como una esfera de carga negativa excesiva, si no infinita, pequeña y uniforme, un Momento dipolar químico de cero significaría que la carga se distribuye de manera desigual, formando una región fraccionalmente más negativa que la carga media de la partícula y otra ligeramente menos negativa.

Esta pequeña asimetría espacial tendría implicaciones de largo alcance, porque estaría en contradicción con la idea de que todos los procesos físicos tienen el mismo aspecto si el tiempo avanza o retrocede. Mientras que la inversión del tiempo cambiaría la dirección de otra propiedad del electrón, su giro magnético, dejaría intacto cualquier Momento dipolar químico.

Este colapso en la simetría de inversión de tiempo, a su vez, "abriría un agujero" en el modelo más simple de partículas y fuerzas de la física de partículas, dice Hinds. Agrega que "requeriría un modelo en el que la naturaleza contenga muchas más partículas fundamentales que solo las que se han observado hasta ahora".

También implicaría una asimetría fundamental entre la materia y la antimateria, que de alguna manera explicaría porque el universo de hoy contiene mucha más materia que antimateria, a pesar de que cantidades iguales de cada uno deberían haber sido creadas en el Big Bang.

Según David Weiss, físico atómico de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State):

El exceso de materia cósmica implica que es muy probable que exista el Momento dipolar químico del electrón. Y aunque el tamaño de Momento dipolar químico sigue siendo desconocido, las teorías más populares predicen que  es lo suficientemente grande como para ser detectado.

Debido a que un Momento dipolar químico provocaría que un electrón o, más precisamente, su eje de rotación gire cuando se lo coloca en un campo eléctrico, enlazar un electrón entre los electrodos positivo y negativo, debería revelar el Momento dipolar químico del electrón. Pero la fuerza de rotación resultante sería extremadamente débil, tan débil que el electrón apenas podría comenzar a girar antes de estrellarse contra el electrodo positivo.

Los científicos generalmente solucionan este problema estudiando electrones dentro de ciertos átomos y moléculas neutras, en los que se pueden inducir campos internos mucho más fuertes que cualquier campo externo. Los investigadores sondean haces de estos átomos en busca de señales de electrones tambaleando, o evidencia previa de un Momento dipolar químico. Pero el movimiento limita el tiempo de medición.

El Estudio
En el último trabajo, publicado en Physical Review Letters, Eric Cornell y sus colegas de JILA optaron por una alternativa audaz; en lugar de sondear un haz de partículas neutras, atrapan los iones moleculares de fluoruro de hafnio en un campo eléctrico y magnético giratorio.

Después de superar algunos obstáculos técnicos relacionados con este movimiento circular, rastrearon la precesión de giro de los electrones en el transcurso de 0,7 segundos, aproximadamente 1000 veces más de lo que era posible anteriormente con rayos.

El grupo de Cornell aún no ha superado la mejor medición existente de la esfericidad del electrón, porque los iones agrupados perturban el giro de cada electrón y limitan el número que la "trampa", puede contener.

El límite más alto obtenido es de 1.3 × 10-28 centímetros, lo que significa que es 1,5 veces mayor que el mejor límite actual establecido con haces moleculares.

Más adelante
El grupo de JILA comenzó una nueva versión de su experimento con campos eléctricos más altos para atrapar más iones simultáneamente. Combinado con otras mejoras, Cornell dice que esto podría aumentar la sensibilidad en un factor de 10 en los próximos años.

Eventualmente, el grupo de JILA planea comenzar a usar fluoruro de torio, que es más difícil de medir que el fluoruro de hafnio, pero cuya mayor estabilidad ofrece incluso tiempos de precesión más largos.

Alternativas
Otros grupos están implementando nuevas estrategias de medición que también podrían aumentar la sensibilidad. Weiss y sus colegas en Penn State apuntan a una mejora de 30 veces sobre el resultado anterior, al crear una trampa con láser en lugar de campos eléctricos. Esperan confinar y medir átomos de cesio neutros fríos durante varios segundos.

Mientras tanto, los físicos del Imperial College esperan estudiar una fuente de moléculas de flúor de iterbio enfriadas con láser. Si no aparece asimetría en ese nivel de sensibilidad, dice Hinds, el equipo debería ser capaz de descartar toda una gama de teorías que predicen un Momento dipolar químico de electrones. Pero eso, agrega, "no impedirá que los físicos teóricos generen nuevas ideas".

Referencia del documento científico:
William B. Cairncross et al. Medición de precisión del momento dipolar eléctrico del electrón usando iones moleculares atrapados. Fis. Rev. Lett. 119, 153001 - Publicado el 9 de octubre de 2017; DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.153001

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