Das Elektron ist so rund, dass es potenzielle neue Teilchen ausschließt

Stellen Sie sich ein Elektron als eine kugelförmige Wolke negativer Ladung vor. Wenn dieser Ball auch nur ein bisschen weniger rund wäre, könnte er helfen, grundlegende Lücken in unserem Verständnis der Physik zu erklären, einschließlich der Frage, warum das Universum eher etwas als nichts enthält.

Angesichts des Einsatzes hat eine kleine Gemeinschaft von Physikern in den letzten Jahrzehnten hartnäckig nach Asymmetrien in der Form des Elektrons gesucht. Die Experimente sind jetzt so empfindlich, dass sie, wenn ein Elektron die Größe der Erde hätte, eine Erhebung am Nordpol von der Höhe eines einzelnen Zuckermoleküls nachweisen könnten.

Die neuesten Ergebnisse sind da: Das Elektron ist runder als das.

Die aktualisierte Messung enttäuscht alle, die auf Anzeichen neuer Physik hoffen. Aber es hilft Theoretikern immer noch, ihre Modelle darauf einzuschränken, welche unbekannten Teilchen und Kräfte im aktuellen Bild fehlen könnten.

„Ich bin sicher, es ist schwer, der Experimentator zu sein, der ständig Null misst, [aber] sogar ein Nullergebnis in diesem Experiment ist wirklich wertvoll und lehrt uns wirklich etwas“, sagte er Peter Graham, theoretischer Physiker an der Stanford University. Die neue Studie sei „eine technologische Meisterleistung und auch sehr wichtig für die neue Physik“.

Wilderei von Elefanten

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist unsere beste Liste aller Teilchen, die im Zoo des Universums existieren. Die Theorie hat sich in den letzten Jahrzehnten in experimentellen Tests außergewöhnlich gut behauptet, aber sie lässt einige ernsthafte „Elefanten im Raum“, sagte er Dmitri Budker, Physiker an der University of California, Berkeley.

Zum einen ist unsere bloße Existenz ein Beweis dafür, dass das Standardmodell unvollständig ist, da der Urknall laut Theorie zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie hätte produzieren müssen, die sich gegenseitig vernichtet hätten.

1967 schlug der sowjetische Physiker Andrej Sacharow vor, a mögliche Lösung zu diesem speziellen Rätsel. Er vermutete, dass es in der Natur einen mikroskopischen Prozess geben muss, der umgekehrt anders aussieht; Auf diese Weise könnte Materie wachsen, um Antimaterie zu dominieren. Ein paar Jahre zuvor hatten Physiker entdeckt ein solches Szenario beim Zerfall des Kaon-Teilchens. Aber das allein reichte nicht aus, um die Asymmetrie zu erklären.

Seitdem sind Physiker auf der Suche nach Hinweisen auf neue Teilchen, die die Waage weiter ausschlagen könnten. Einige tun dies direkt mit dem Large Hadron Collider – oft angepriesen als die komplizierteste Maschine, die jemals gebaut wurde. Aber in den letzten Jahrzehnten ist eine Alternative mit vergleichsweise geringem Budget entstanden: die Untersuchung, wie hypothetische Partikel die Eigenschaften bekannter Partikel verändern würden. „Sie sehen Fußabdrücke [der neuen Physik], aber Sie sehen nicht wirklich das, was sie gemacht hat“, sagte er Michael Ramsey-Musolf, theoretischer Physiker an der University of Massachusetts, Amherst.

Ein solcher potenzieller Fußabdruck könnte in der Rundung des Elektrons erscheinen. Die Quantenmechanik schreibt vor, dass innerhalb der Wolke aus negativer Ladung des Elektrons ständig andere Teilchen ein- und ausgehen. Das Vorhandensein bestimmter „virtueller“ Teilchen jenseits des Standardmodells – die Art, die helfen könnte, die ursprüngliche Überlegenheit der Materie zu erklären – würde die Elektronenwolke etwas eiförmiger aussehen lassen. Eine Spitze wäre etwas positiver geladen, die andere etwas negativer, wie die Enden eines Stabmagneten. Diese Ladungstrennung wird als elektrisches Dipolmoment (EDM) bezeichnet.

Das Standardmodell sagt eine verschwindend kleine EDM für das Elektron voraus – fast eine Million Mal kleiner als das, was aktuelle Techniken untersuchen können. Wenn Forscher also mit heutigen Experimenten eine längliche Form entdecken würden, würde dies definitive Spuren neuer Physik offenbaren und darauf hinweisen, was dem Standardmodell möglicherweise fehlt.

Um nach dem EDM des Elektrons zu suchen, suchen Wissenschaftler nach einer Änderung im Spin des Teilchens, einer intrinsischen Eigenschaft, die seine Ausrichtung definiert. Der Spin des Elektrons lässt sich leicht durch Magnetfelder drehen, wobei sein magnetisches Moment als eine Art Griff dient. Das Ziel dieser Tischexperimente ist es, zu versuchen, den Spin stattdessen mit elektrischen Feldern zu drehen, mit dem EDM als elektrischem Griff.

"Wenn das Elektron perfekt kugelförmig ist, hat es keine Griffe, an denen es sich festhalten kann, um ein Drehmoment auszuüben", sagte er Amar Vutha, Physiker an der University of Toronto. Aber wenn es ein beträchtliches EDM gibt, wird das elektrische Feld es benutzen, um am Spin des Elektrons zu ziehen.

2011 Forscher am Imperial College London zeigte dass sie diesen Handle-Effekt verstärken könnten, indem sie das Elektron an einem schweren Molekül verankern. Seitdem überholen sich zwei Hauptteams alle paar Jahre mit immer präziseren Messungen.

Ein Experiment, jetzt an der Northwestern University, trägt den Namen Advanced Cold Molecule Electron EDM oder ACME (ein Backronym, das vom alten inspiriert ist Roadrunner Karikaturen). Ein weiteres ist am JILA-Institut der University of Colorado angesiedelt. Die Empfindlichkeit der Messungen der konkurrierenden Teams ist in den letzten zehn Jahren um den Faktor 200 gestiegen – immer noch ohne EDM zu sehen.

„Es ist eine Art Rennen, außer dass wir keine Ahnung haben, wo die Ziellinie ist oder ob es überhaupt eine Ziellinie gibt“, sagte er David DeMille, Physiker an der University of Chicago und einer der Leiter der ACME-Gruppe.

Ein Rennen ins Unbekannte

Um weiter voranzukommen, wollen die Forscher zwei Dinge: mehr Messungen und eine längere Messzeit. Die beiden Teams gehen gegensätzliche Wege.

Die ACME-Gruppe, die die bisherigen Rekord im Jahr 2018 priorisiert die Menge der Messungen. Sie schießen einen Strahl neutraler Moleküle durch das Labor und untersuchen jede Sekunde zig Millionen von ihnen, aber jeweils nur für ein paar Millisekunden. Die JILA-Gruppe misst weniger Moleküle, aber länger: Sie fangen jeweils einige hundert Moleküle ein und messen sie dann bis zu drei Sekunden lang.

Die Ioneneinfangtechnik, zuerst entwickelt von Eric Cornel, ein Physiker an der University of Colorado, Boulder, der die JILA-Gruppe leitet, war „ein großer konzeptioneller Durchbruch“, sagte DeMille. „Viele Leute in der Branche hielten das für verrückt. Zu sehen, wie es zum Tragen kommt, ist wirklich aufregend.“

Zwei unterschiedliche Versuchsanordnungen zu haben, die sich gegenseitig überprüfen können, ist „absolut entscheidend“, sagte Budker. „Mir fehlen die Worte, um meine Bewunderung für diese Cleverness und Beharrlichkeit auszudrücken. Es ist einfach die beste Wissenschaft, die es gibt.“

Cornells Technik war die erste präsentiert im Jahr 2017 mit Hafniumfluorid-Molekülen. Seitdem haben technische Verbesserungen es der Gruppe ermöglicht, den Rekord von ACME um den Faktor 2.4 zu übertreffen, wie in a beschrieben neuer Vordruck unter der Leitung von Cornells ehemaliger Doktorandin Tanya Roussy. Das Team lehnte es ab, sich zu äußern, während ihr Papier unter überprüft wird Science.

Die Rundheit des Elektrons mit erhöhter Präzision zu untersuchen, entspricht der Suche nach neuer Physik auf höheren Energieskalen oder der Suche nach Anzeichen für schwerere Teilchen. Diese neue Grenze ist empfindlich gegenüber Energien über etwa 10¹³ Elektronenvolt – mehr als eine Größenordnung über dem, was der LHC derzeit testen kann. Vor einigen Jahrzehnten erwarteten die meisten Theoretiker, dass Hinweise auf neue Teilchen deutlich unterhalb dieser Größenordnung entdeckt würden. Jedes Mal, wenn die Messlatte steigt, werden einige Ideen diskreditiert.

„Wir müssen weiter damit ringen, was diese Grenzen implizieren“, sagte Ramsey-Musolf. "Noch ist nichts getötet, aber es dreht die Hitze auf."

Unterdessen schreitet die Elektro-EDM-Community voran. In zukünftigen experimentellen Iterationen wollen sich die duellierenden Gruppen irgendwo in der Mitte treffen: Das JILA-Team plant, einen Strahl voller Ionen zu bauen, um ihre Anzahl zu erhöhen, und das ACME-Team möchte die Länge ihres Strahls verlängern, um ihre Messzeit zu erhöhen. Vutha arbeitet sogar an „einigen völlig verrückten“ Ansätzen, wie dem Einfrieren von Molekülen in Eisblöcken, in der Hoffnung, die Empfindlichkeit um mehrere Größenordnungen zu steigern.

Der Traum ist, dass diese EDM-Experimente die ersten sein werden, die Anzeichen einer neuen Physik erkennen und eine Welle von Folgeuntersuchungen von anderen Präzisionsmessexperimenten und größeren Teilchenbeschleunigern auslösen.

Die Form des Elektrons ist „etwas, das uns etwas über völlig neue und unterschiedliche Teile der grundlegenden Naturgesetze lehrt“, sagte Graham. „Es gibt eine riesige Entdeckung, die darauf wartet, passiert zu werden. Ich bin optimistisch, dass wir das schaffen werden.“