Το ηλεκτρόνιο είναι τόσο στρογγυλό που αποκλείει πιθανά νέα σωματίδια

Φανταστείτε ένα ηλεκτρόνιο ως ένα σφαιρικό νέφος αρνητικού φορτίου. Εάν αυτή η μπάλα ήταν ποτέ τόσο ελαφρώς λιγότερο στρογγυλή, θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθούν τα θεμελιώδη κενά στην κατανόησή μας για τη φυσική, συμπεριλαμβανομένου του γιατί το σύμπαν περιέχει κάτι και όχι τίποτα.

Δεδομένων των διακυβεύσεων, μια μικρή κοινότητα φυσικών κυνηγούσε επίμονα οποιαδήποτε ασυμμετρία στο σχήμα του ηλεκτρονίου τις τελευταίες δεκαετίες. Τα πειράματα είναι τώρα τόσο ευαίσθητα που αν ένα ηλεκτρόνιο είχε το μέγεθος της Γης, θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ένα χτύπημα στον Βόρειο Πόλο ίσο με ένα μόνο μόριο σακχάρου.

Τα τελευταία αποτελέσματα είναι: Το ηλεκτρόνιο είναι πιο στρογγυλό από αυτό.

Η ενημερωμένη μέτρηση απογοητεύει όποιον ελπίζει για σημάδια νέας φυσικής. Αλλά εξακολουθεί να βοηθά τους θεωρητικούς να περιορίσουν τα μοντέλα τους για το τι άγνωστα σωματίδια και δυνάμεις μπορεί να λείπουν από την τρέχουσα εικόνα.

«Είμαι σίγουρος ότι είναι δύσκολο να είσαι ο πειραματιστής που μετράει το μηδέν συνέχεια, [αλλά] ακόμη και ένα μηδενικό αποτέλεσμα σε αυτό το πείραμα είναι πραγματικά πολύτιμο και πραγματικά μας διδάσκει κάτι», είπε. Πίτερ Γκράχαμ, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Η νέα μελέτη είναι «μια τεχνολογική περιήγηση και επίσης πολύ σημαντική για τη νέα φυσική».

Λαθροθηρία ελεφάντων

Η Καθιερωμένο Μοντέλο Σωματιδιακής Φυσικής είναι ο καλύτερος κατάλογος όλων των σωματιδίων που υπάρχουν στον ζωολογικό κήπο του σύμπαντος. Η θεωρία έχει κρατήσει εξαιρετικά καλά σε πειραματικές δοκιμές τις τελευταίες δεκαετίες, αλλά αφήνει μερικούς σοβαρούς «ελέφαντες στο δωμάτιο», είπε. Ντμίτρι Μπάντκερ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.

Πρώτον, η ύπαρξή μας και μόνο είναι απόδειξη ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ατελές, αφού σύμφωνα με τη θεωρία, η Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να είχε παραγάγει ίσα μέρη ύλης και αντιύλης που θα είχαν εξολοθρεύσει το ένα το άλλο.

Το 1967, ο Σοβιετικός φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ πρότεινε α πιθανή λύση στο συγκεκριμένο αίνιγμα. Υπέθεσε ότι πρέπει να υπάρχει κάποια μικροσκοπική διαδικασία στη φύση που φαίνεται διαφορετική αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο, η ύλη θα μπορούσε να κυριαρχήσει στην αντιύλη. Λίγα χρόνια πριν, οι φυσικοί είχαν ανακάλυψαν ένα τέτοιο σενάριο στη διάσπαση του σωματιδίου kaon. Αλλά αυτό από μόνο του δεν ήταν αρκετό για να εξηγήσει την ασυμμετρία.

Από τότε, οι φυσικοί βρίσκονται σε ένα κυνήγι για να βρουν υπαινιγμούς νέων σωματιδίων που θα μπορούσαν να ανατρέψουν περαιτέρω την κλίμακα. Μερικοί το κάνουν απευθείας, χρησιμοποιώντας τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων — που συχνά διαφημίζεται ως η πιο περίπλοκη μηχανή που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Όμως, τις τελευταίες δεκαετίες, έχει προκύψει μια εναλλακτική λύση σχετικά χαμηλού προϋπολογισμού: εξετάζοντας πώς τα υποθετικά σωματίδια θα άλλαζαν τις ιδιότητες των γνωστών σωματιδίων. «Βλέπετε ίχνη [της νέας φυσικής], αλλά στην πραγματικότητα δεν βλέπετε αυτό που τα έκανε», είπε Μάικλ Ράμσεϊ-Μάσολφ, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ.

Ένα τέτοιο δυναμικό αποτύπωμα θα μπορούσε να εμφανιστεί στη στρογγυλότητα του ηλεκτρονίου. Η κβαντομηχανική υπαγορεύει ότι μέσα στο νέφος αρνητικού φορτίου του ηλεκτρονίου, άλλα σωματίδια τρεμοπαίζουν συνεχώς μέσα και έξω από την ύπαρξη. Η παρουσία ορισμένων «εικονικών» σωματιδίων πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο - το είδος που θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της αρχέγονης υπεροχής της ύλης - θα έκανε το νέφος του ηλεκτρονίου να φαίνεται ελαφρώς πιο αυγό. Το ένα άκρο θα είχε λίγο περισσότερο θετικό φορτίο, το άλλο λίγο πιο αρνητικό, όπως τα άκρα ενός μαγνήτη ράβδου. Αυτός ο διαχωρισμός φορτίου αναφέρεται ως ηλεκτρική διπολική ροπή (EDM).

Το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει ένα εξαιρετικά μικροσκοπικό EDM για το ηλεκτρόνιο — σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από αυτό που μπορούν να ανιχνεύσουν οι τρέχουσες τεχνικές. Έτσι, εάν οι ερευνητές εντόπιζαν ένα μακρόστενο σχήμα χρησιμοποιώντας τα σημερινά πειράματα, αυτό θα αποκάλυπτε οριστικά ίχνη νέας φυσικής και θα έδειχνε τι μπορεί να λείπει από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Για να αναζητήσουν το EDM του ηλεκτρονίου, οι επιστήμονες αναζητούν μια αλλαγή στο σπιν του σωματιδίου, μια εγγενή ιδιότητα που καθορίζει τον προσανατολισμό του. Το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί εύκολα να περιστραφεί από μαγνητικά πεδία, με τη μαγνητική του ροπή να χρησιμεύει ως ένα είδος λαβής. Ο στόχος αυτών των επιτραπέζιων πειραμάτων είναι να προσπαθήσουν να περιστρέψουν το σπιν χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία, με το EDM ως ηλεκτρική λαβή.

"Εάν το ηλεκτρόνιο είναι τέλεια σφαιρικό, δεν έχει λαβές για να το πιάσετε για να ασκήσετε ροπή", είπε. Αμάρ Βούθα, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο. Αλλά αν υπάρχει ένα αρκετά μεγάλο EDM, το ηλεκτρικό πεδίο θα το χρησιμοποιήσει για να τραβήξει το σπιν του ηλεκτρονίου.

Το 2011, ερευνητές στο Imperial College του Λονδίνου έδειξε ότι θα μπορούσαν να ενισχύσουν αυτό το φαινόμενο λαβής αγκυρώνοντας το ηλεκτρόνιο σε ένα βαρύ μόριο. Από τότε, δύο κύριες ομάδες πηδούν η μία την άλλη κάθε λίγα χρόνια με ολοένα και πιο ακριβείς μετρήσεις.

Ένα πείραμα, τώρα στο Πανεπιστήμιο Northwestern, ονομάζεται Advanced Cold Molecule Electron EDM, ή ACME (ένα backronym εμπνευσμένο από το παλιό Road Runner κοινουμενα σχεδια). Ένα άλλο βασίζεται στο ινστιτούτο JILA του Πανεπιστημίου του Κολοράντο. Οι μετρήσεις των ανταγωνιστικών ομάδων έχουν αυξηθεί σε ευαισθησία κατά 200 την τελευταία δεκαετία — ακόμα χωρίς EDM να φαίνεται.

"Είναι ένα είδος αγώνα, εκτός από το ότι δεν έχουμε ιδέα πού είναι η γραμμή τερματισμού ή αν υπάρχει γραμμή τερματισμού", είπε. Ντέιβιντ ΝτεΜιλ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και ένας από τους ηγέτες της ομάδας ACME.

Ένας αγώνας προς το άγνωστο

Για να συνεχίσουν να περπατούν μπροστά, οι ερευνητές θέλουν δύο πράγματα: περισσότερες μετρήσεις και μεγαλύτερο χρόνο μέτρησης. Οι δύο ομάδες ακολουθούν αντίθετες προσεγγίσεις.

Η ομάδα ACME, η οποία έθεσε το προηγούμενη εγγραφή το 2018, δίνει προτεραιότητα στην ποσότητα των μετρήσεων. Πυροβολούν μια δέσμη ουδέτερων μορίων σε όλο το εργαστήριο, διερευνώντας δεκάδες εκατομμύρια από αυτά κάθε δευτερόλεπτο, αλλά μόνο για λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου το καθένα. Η ομάδα JILA μετρά λιγότερα μόρια, αλλά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα: Παγιδεύει μερικές εκατοντάδες μόρια κάθε φορά και στη συνέχεια τα μετράει για έως και τρία δευτερόλεπτα.

Η τεχνική παγίδευσης ιόντων, που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από Έρικ Κορνέλ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, ο Boulder που διευθύνει την ομάδα JILA, ήταν «μια μεγάλη εννοιολογική ανακάλυψη», είπε ο DeMille. «Πολλοί άνθρωποι στο πεδίο νόμιζαν ότι αυτό ήταν τρελός. Είναι πραγματικά συναρπαστικό να το βλέπεις να αποδίδει καρπούς».

Η ύπαρξη δύο ξεχωριστών πειραματικών ρυθμίσεων που μπορούν να διασταυρώσουν το ένα το άλλο είναι «απολύτως κρίσιμο», είπε ο Budker. «Δεν έχω λόγια να εκφράσω τον θαυμασμό μου για αυτήν την εξυπνάδα και την επιμονή. Είναι απλώς η καλύτερη επιστήμη που υπάρχει».

Η τεχνική του Cornell ήταν πρώτη παρουσιάστηκε το 2017 με μόρια φθοριούχου αφνίου. Έκτοτε, οι τεχνικές βελτιώσεις επέτρεψαν στον όμιλο να ξεπεράσει το ρεκόρ του ACME κατά 2.4, όπως περιγράφεται σε πρόσφατη εκτύπωση με επικεφαλής την πρώην μεταπτυχιακή φοιτήτρια του Cornell, Tanya Roussy. Η ομάδα αρνήθηκε να σχολιάσει όσο το έγγραφό της βρίσκεται υπό εξέταση στις Επιστήμη.

Η ανίχνευση της στρογγυλότητας του ηλεκτρονίου με αυξημένη ακρίβεια ισοδυναμεί με αναζήτηση νέας φυσικής σε υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες ή αναζήτηση ενδείξεων βαρύτερων σωματιδίων. Αυτό το νέο όριο είναι ευαίσθητο σε ενέργειες πάνω από περίπου 10¹³ ηλεκτρονιοβολτ — περισσότερο από μια τάξη μεγέθους πέρα ​​από αυτό που μπορεί να δοκιμάσει ο LHC επί του παρόντος. Πριν από μερικές δεκαετίες, οι περισσότεροι θεωρητικοί περίμεναν ότι οι υπαινιγμοί νέων σωματιδίων θα ανακαλύφθηκαν σημαντικά κάτω από αυτήν την κλίμακα. Κάθε φορά που ανεβαίνει ο πήχης, κάποιες ιδέες απαξιώνονται.

«Πρέπει να συνεχίσουμε να παλεύουμε με αυτό που υποδηλώνουν αυτά τα όρια», είπε ο Ramsey-Musolf. «Τίποτα δεν έχει σκοτωθεί ακόμα, αλλά ανεβάζει τη ζέστη».

Εν τω μεταξύ, η κοινότητα EDM ηλεκτρονίων προχωρά. Σε μελλοντικές πειραματικές επαναλήψεις, οι ομάδες μονομαχίας στοχεύουν να συναντηθούν κάπου στη μέση: Η ομάδα JILA σχεδιάζει να κάνει μια δέσμη γεμάτη ιόντα για να αυξήσει τον αριθμό τους και η ομάδα ACME θέλει να επεκτείνει το μήκος της δέσμης τους για να αυξήσει τον χρόνο μέτρησης. Ο Vutha εργάζεται ακόμη και σε «μερικές εντελώς τρελές» προσεγγίσεις, όπως το πάγωμα μορίων σε μπλοκ πάγου, με την ελπίδα να πηδήσει αρκετές τάξεις μεγέθους σε ευαισθησία.

Το όνειρο είναι ότι αυτά τα πειράματα EDM θα είναι τα πρώτα που θα ανιχνεύσουν σημάδια νέας φυσικής, προκαλώντας ένα κύμα περαιτέρω ερευνών από άλλα πειράματα μέτρησης ακριβείας και μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων.

Το σχήμα του ηλεκτρονίου είναι «κάτι που μας διδάσκει για εντελώς νέα και διαφορετικά κομμάτια των θεμελιωδών νόμων της φύσης», είπε ο Graham. «Υπάρχει μια τεράστια ανακάλυψη που περιμένει να συμβεί. Είμαι αισιόδοξος ότι θα φτάσουμε εκεί».