Электрон настолько круглый, что исключает потенциальные новые частицы

япредставьте себе электрон в виде сферического облака отрицательного заряда. Если бы этот шар был хоть чуть-чуть менее круглым, это помогло бы объяснить фундаментальные пробелы в нашем понимании физики, в том числе почему во Вселенной есть что-то, а не ничего.

Учитывая ставки, небольшое сообщество физиков упорно охотилось за любой асимметрией в форме электрона в течение последних нескольких десятилетий. Эксперименты теперь настолько чувствительны, что если бы электрон был размером с Землю, они могли бы обнаружить выступ на Северном полюсе высотой с одну молекулу сахара.

Последние результаты в: Электрон круглее, чем это.

Обновленное измерение разочаровывает всех, кто надеется на признаки новой физики. Но это по-прежнему помогает теоретикам ограничивать свои модели тем, какие неизвестные частицы и силы могут отсутствовать в текущей картине.

«Я уверен, что трудно быть экспериментатором, постоянно измеряющим ноль, [but] даже нулевой результат в этом эксперименте действительно ценен и действительно нас чему-то учит», — сказал Питер Грэм, физик-теоретик из Стэнфордского университета. Новое исследование является «технологическим прорывом, а также очень важным для новой физики».

Браконьерство слонов

Стандартная модель физики элементарных частиц — наш лучший список всех частиц, существующих во вселенной. Теория исключительно хорошо выдержала экспериментальные испытания за последние несколько десятилетий, но она оставляет несколько серьезных «слонов в комнате», сказал он. Дмитрий Будкерфизик из Калифорнийского университета в Беркли.

Во-первых, само наше существование является доказательством того, что Стандартная модель неполна, поскольку, согласно теории, Большой взрыв должен был произвести равные части материи и антиматерии, которые уничтожили бы друг друга.

В 1967 году советский физик Андрей Сахаров предложил возможное решение к этой конкретной загадке. Он предположил, что в природе должен существовать какой-то микроскопический процесс, который в обратном порядке выглядит иначе; таким образом, материя могла бы доминировать над антиматерией. За несколько лет до этого физики обнаруженный такой сценарий в распаде частицы каона. Но одного этого было недостаточно, чтобы объяснить асимметрию.

С тех пор физики охотятся за намеками на новые частицы, которые могут еще больше склонить чашу весов. Некоторые делают это напрямую, используя Большой адронный коллайдер, который часто называют самой сложной машиной из когда-либо созданных. Но за последние несколько десятилетий появилась сравнительно малобюджетная альтернатива: изучение того, как гипотетические частицы изменят свойства известных частиц. «Вы видите следы [of new physics]но на самом деле вы не видите того, что их создало, — сказал Майкл Рэмси-Мусольффизик-теоретик из Массачусетского университета в Амхерсте.

Само наше существование является доказательством того, что Стандартная модель неполна.

Один такой потенциальный след может появиться в округлости электрона. Квантовая механика утверждает, что внутри облака отрицательного заряда электрона постоянно возникают и исчезают другие частицы. Присутствие определенных «виртуальных» частиц за пределами Стандартной модели — таких, которые могли бы помочь объяснить изначальное превосходство материи, — сделало бы электронное облако чуть более яйцевидным. Один кончик будет иметь более положительный заряд, другой — более отрицательный, как концы стержневого магнита. Это разделение зарядов называется электрическим дипольным моментом (ЭДМ).

Стандартная модель предсказывает исчезающе малую ЭДМ для электрона — почти в миллион раз меньшую, чем то, что могут исследовать современные методы. Поэтому, если бы исследователи обнаружили продолговатую форму, используя сегодняшние эксперименты, это выявило бы четкие следы новой физики и указало бы на то, чего, возможно, не хватает в Стандартной модели.

Чтобы найти EDM электрона, ученые ищут изменение спина частицы, внутреннее свойство, определяющее ее ориентацию. Спин электрона может быть легко повернут магнитными полями, а его магнитный момент служит своего рода ручкой. Цель этих настольных экспериментов состоит в том, чтобы попытаться вращать вращение, используя вместо этого электрические поля, используя EDM в качестве электрической ручки.

«Если электрон идеально сферический, у него нет ручек, за которые можно было бы ухватиться, чтобы создать крутящий момент», — сказал он. Амар Вутха, физик из Университета Торонто. Но если есть значительный EDM, электрическое поле будет использовать его, чтобы тянуть за вращение электрона.

Мечта состоит в том, чтобы эти эксперименты EDM были первыми, кто обнаружит признаки новой физики.

В 2011 году исследователи Имперского колледжа Лондона показал что они могли бы усилить этот эффект ручки, прикрепив электрон к тяжелой молекуле. С тех пор две основные команды каждые несколько лет обгоняют друг друга, проводя все более точные измерения.

Один эксперимент, проводимый в настоящее время в Северо-Западном университете, носит название Advanced Cold Molecule Electron EDM, или ACME (бэкроним, вдохновленный старым Дорожный бегун мультфильмы). Другой базируется в институте JILA Университета Колорадо. Измерения конкурирующих команд увеличили чувствительность в 200 раз за последнее десятилетие, но EDM все еще не наблюдается.

«Это своего рода гонка, за исключением того, что мы понятия не имеем, где находится финишная черта и есть ли вообще финишная черта», — сказал он. Дэвид Демилльфизик Чикагского университета и один из руководителей группы ACME.

Гонка в неизвестность

Чтобы двигаться вперед, исследователям нужны две вещи: больше измерений и более длительное время измерений. Две команды используют противоположные подходы.

Группа ACME, которая установила предыдущая запись в 2018 году отдает приоритет количеству измерений. Они запускают луч нейтральных молекул по всей лаборатории, исследуя десятки миллионов из них каждую секунду, но всего на несколько миллисекунд каждая. Группа JILA измеряет меньше молекул, но дольше: они захватывают несколько сотен молекул за раз, а затем измеряют их в течение трех секунд.

Метод захвата ионов, впервые разработанный Эрик Корнелл, физик из Университета Колорадо в Боулдере, который руководит группой JILA, стал «большим концептуальным прорывом», — сказал Демилль. «Многие в этой области думали, что это сумасшествие. Видеть, как это реализуется, действительно захватывающе».

По словам Будкера, наличие двух разных экспериментальных установок, которые могут перекрестно проверять друг друга, «абсолютно важно». «У меня нет слов, чтобы выразить свое восхищение этим умом и настойчивостью. Это просто лучшая наука».

Метод Корнелла был первым продемонстрированный в 2017 году с молекулами фторида гафния. С тех пор технические усовершенствования позволили группе превзойти рекорд ACME в 2,4 раза, как описано в отчете. последний препринт во главе с бывшей аспиранткой Корнелла Таней Русси. Команда отказалась от комментариев, пока их документ находится на рассмотрении в Наука.

Исследование округлости электрона с повышенной точностью равносильно поиску новой физики в более высоких масштабах энергии или поиску признаков более тяжелых частиц. Эта новая граница чувствительна к энергиям выше примерно 10¹³ электрон-вольт — более чем на порядок больше того, что в настоящее время может проверить БАК. Несколько десятилетий назад большинство теоретиков ожидали, что намеки на новые частицы будут обнаружены значительно ниже этого масштаба. Каждый раз, когда планка поднимается, некоторые идеи дискредитируются.

«Мы должны продолжать бороться с тем, что подразумевают эти ограничения», — сказал Рэмси-Мусольф. «Еще ничего не убито, но жара накаляется».

Между тем, сообщество электронного EDM продвигается вперед. В будущих экспериментальных итерациях дуэльные группы стремятся встретиться где-то посередине: команда JILA планирует создать пучок, полный ионов, чтобы увеличить их количество, а команда ACME хочет увеличить длину своего луча, чтобы увеличить время измерения. Вутха даже работает над «совершенно сумасшедшими» подходами, такими как замораживание молекул в глыбах льда, в надежде повысить чувствительность на несколько порядков.

Мечта состоит в том, чтобы эти эксперименты с EDM были первыми, кто обнаружит признаки новой физики, что вызовет волну последующих исследований из других экспериментов по точным измерениям и более крупных коллайдеров частиц.

Форма электрона — это «что-то, что учит нас совершенно новым и другим частям фундаментальных законов природы», — сказал Грэм. «Впереди огромное открытие. Я оптимистично настроен, что мы добьемся своего».

Эта статья была первоначально опубликовано на Квантовые абстракции блог.

Начальное изображение: если бы электрон был размером с Землю, эксперимент мог бы обнаружить бугорок размером с молекулу сахара. Предоставлено: Кристина Армитаж/Журнал Quanta.

• Зак Савицкий

  Опубликовано 14 апреля 2023 г.

  Зак Савицкий — научный журналист, пишущий для Наука, Новости Меркурия и другие публикации. Он получил степень магистра научной коммуникации в Калифорнийском университете в Санта-Круз. До этого он учился в колледже журналистики по специальности физика в Университете Флориды. Вы можете найти его на его сайте zacksavitsky.com и в Твиттере @savagitsky.