Az elektron annyira kerek, hogy kizárja a lehetséges új részecskéket

Képzeljünk el egy elektront negatív töltésű gömbfelhőként. Ha ez a golyó valaha is kevésbé lenne kerek, az segíthet megmagyarázni a fizika megértésében meglévő alapvető hiányosságokat, beleértve azt is, hogy az univerzum miért tartalmaz valamit a semmi helyett.

Tekintettel a tétre, a fizikusok egy kis közössége az elmúlt néhány évtizedben kitartóan vadászott az elektron alakjának bármilyen aszimmetriájára. A kísérletek ma már annyira érzékenyek, hogy ha egy elektron akkora lenne, mint a Föld, egyetlen cukormolekula magasságú dudort észlelhetnének az Északi-sarkon.

A legfrissebb eredmények itt találhatók: Az elektron kerekebb ennél.

A frissített mérés csalódást kelt mindenkiben, aki új fizika jeleit reméli. De továbbra is segíti a teoretikusokat abban, hogy korlátozzák modelljüket arra vonatkozóan, hogy milyen ismeretlen részecskék és erők hiányozhatnak a jelenlegi képből.

"Biztos vagyok benne, hogy nehéz kísérletezőnek lenni, aki állandóan nullát mér, [de] ebben a kísérletben még a nulla eredmény is nagyon értékes, és valóban megtanít nekünk valamit" Peter Graham, a Stanford Egyetem elméleti fizikusa. Az új tanulmány „technológiai úttörő, és nagyon fontos az új fizika számára is”.

Orvvadászat elefántok

A A részecskefizika szabványos modellje a mi legjobb névsorunk az univerzum állatkertjében létező részecskék közül. Az elmélet rendkívül jól bevált a kísérleti tesztekben az elmúlt évtizedekben, de komoly „elefántokat hagy a szobában” – mondta. Dmitrij Budker, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem fizikusa.

Egyrészt puszta létezésünk bizonyíték arra, hogy a Standard Modell hiányos, mivel az elmélet szerint az Ősrobbanásnak egyenlő arányban kellett volna anyagot és antianyagot előállítania, amelyek megsemmisítették volna egymást.

1967-ben Andrej Szaharov szovjet fizikus javasolta a lehetséges megoldás erre a bizonyos rejtvényre. Azt sejtette, hogy a természetben kell lennie valami mikroszkopikus folyamatnak, amely fordítva másképp néz ki; így az anyag dominálhat az antianyag felett. Néhány évvel korábban a fizikusok ezt tették felfedezett egy ilyen forgatókönyv a kaon részecske bomlásakor. De ez önmagában nem volt elég az aszimmetria magyarázatához.

A fizikusok azóta is arra törekednek, hogy olyan új részecskékre utaljanak, amelyek tovább billenthetik a skálát. Vannak, akik ezt közvetlenül, a Large Hadron Collider segítségével teszik – amelyet gyakran a valaha épített legbonyolultabb gépként emlegetnek. De az elmúlt évtizedekben egy viszonylag alacsony költségvetésű alternatíva jelent meg: megvizsgáljuk, hogyan változtatnák meg a feltételezett részecskék az ismert részecskék tulajdonságait. "Látod [az új fizika] lábnyomait, de valójában nem látod azt a dolgot, ami létrehozta őket" - mondta. Michael Ramsey-Musolf, a Massachusettsi Egyetem elméleti fizikusa, Amherst.

Egy ilyen potenciállábnyom megjelenhet az elektron kerekségében. A kvantummechanika azt diktálja, hogy az elektron negatív töltésfelhőjében más részecskék folyamatosan pislákolódjanak be és ki. Bizonyos „virtuális” részecskék jelenléte a Standard Modellen kívül – az a fajta, amely segíthet megmagyarázni az anyag ősfölényét – az elektronfelhőt kissé tojás alakúvá tenné. Az egyik hegynek valamivel pozitívabb töltése lenne, a másiknak kicsit negatívabb, mint egy rúdmágnes végei. Ezt a töltésleválasztást elektromos dipólusmomentumnak (EDM) nevezik.

A Standard Modell eltűnőben apró EDM-et jósol az elektron számára – csaknem milliószor kisebbet, mint amit a jelenlegi technikák meg tudnak vizsgálni. Tehát ha a kutatók a mai kísérletek segítségével egy hosszúkás alakot észlelnének, az új fizika végleges nyomait tárná fel, és arra mutatna, hogy mi hiányzik a Standard Modellből.

Az elektron EDM-jének megkereséséhez a tudósok a részecske spinjének változását keresik, egy belső tulajdonságot, amely meghatározza annak orientációját. Az elektron spinje könnyen forgatható mágneses mezőkkel, mágneses momentuma pedig egyfajta fogantyúként szolgál. Ezeknek az asztali kísérleteknek az a célja, hogy megpróbálják forgatni a forgást elektromos mezők segítségével, az EDM elektromos fogantyúként.

"Ha az elektron tökéletesen gömb alakú, akkor nincs fogantyúja, amelyen megragadhatna, hogy nyomatékot fejtsen ki" - mondta. Amar Vutha, a Torontói Egyetem fizikusa. De ha van egy jókora EDM, az elektromos tér azt fogja használni, hogy megrángassa az elektron spinjét.

2011-ben az Imperial College London kutatói kimutatta, hogy az elektront egy nehéz molekulához rögzítve felerősíthetik ezt a fogantyúeffektust. Azóta két főcsapat néhány évenként ugrálja egymást egyre pontosabb mérésekkel.

Az egyik kísérlet, amely jelenleg a Northwestern Egyetemen folyik, Advanced Cold Molecule Electron EDM vagy ACME (a régi ihletésű háttérnév) nevet viseli. Road Runner rajzfilmek). Egy másik a Colorado Egyetem JILA intézetében található. A versengő csapatok mérései 200-szorosára ugrottak meg az érzékenységben az elmúlt évtizedben – még mindig nem lehetett látni EDM-et.

"Ez egyfajta verseny, kivéve, hogy fogalmunk sincs, hol van a cél, vagy hogy van-e célvonal" - mondta. David DeMille, a Chicagói Egyetem fizikusa és az ACME csoport egyik vezetője.

Verseny az ismeretlenbe

Az előrehaladáshoz a kutatók két dolgot szeretnének: több mérést és hosszabb mérési időt. A két csapat ellentétes megközelítést alkalmaz.

Az ACME csoport, amely beállította a előző rekord 2018-ban a mérések mennyiségét helyezi előtérbe. Semleges molekulák sugarát lövik át a laboratóriumon, és másodpercenként több tízmilliót vizsgálnak meg belőlük, de mindegyik csak néhány milliszekundum erejéig. A JILA csoport kevesebb molekulát mér, de hosszabb ideig: egyszerre néhány száz molekulát csapdába ejtenek, majd három másodpercig mérik őket.

Az ioncsapdás technika, amelyet először fejlesztett ki Eric Cornell, a Colorado Egyetem fizikusa, Boulder, aki a JILA csoportot irányítja, „nagy koncepcionális áttörés volt” – mondta DeMille. „Sokan a területen úgy gondolták, hogy ez őrültség. Nagyon izgalmas látni, ahogy megvalósul.”

„Abszolút döntő fontosságú, hogy két különálló kísérleti elrendezés legyen, amelyek képesek keresztezni egymást” – mondta Budker. „Nincsenek szavaim, hogy kifejezzem, mennyire csodálom ezt az okosságot és kitartást. Ez a létező legjobb tudomány.”

Cornell technikája volt az első bemutatásra 2017-ben hafnium-fluorid molekulákkal. Azóta a technikai fejlesztések lehetővé tették a csoport számára, hogy 2.4-szeresével felülmúlja az ACME rekordját, amint azt egy friss előnyomás Cornell egykori végzős diákja, Tanya Roussy vezetésével. A csapat nem kívánt nyilatkozni, amíg a cikk felülvizsgálat alatt áll Science.

Az elektron gömbölyűségének megnövekedett pontosságú vizsgálata egyenértékű új fizika keresésével magasabb energiaskálákon, vagy a nehezebb részecskék jeleinek keresésével. Ez az új korlát nagyjából 10 feletti energiákra érzékeny¹³ elektronvolt – több mint egy nagyságrenddel meghaladja azt, amit az LHC jelenleg tesztelni tud. Néhány évtizeddel ezelőtt a legtöbb teoretikus arra számított, hogy az új részecskékre utaló jeleket jóval ez alatt a skála alatt fedezik fel. Minden alkalommal, amikor a léc felemelkedik, néhány ötlet hiteltelenné válik.

„Folyamatosan küzdenünk kell azzal, hogy mit jelentenek ezek a korlátok” – mondta Ramsey-Musolf. "Még semmi sem halt meg, de felpörgeti a hőt."

Eközben az elektron-EDM közösség előretör. A jövőbeni kísérleti iterációk során a párbajtőr csoportok valahol középen találkoznak: a JILA csapata azt tervezi, hogy egy ionokkal teli nyalábot készít, hogy növelje a számukat, az ACME csapat pedig meg akarja hosszabbítani a nyaláb hosszát, hogy növelje mérési idejét. Vutha még „néhány teljesen őrült” megközelítésen is dolgozik, például molekulák jégtömbökbe fagyasztásán, abban a reményben, hogy több nagyságrendet megugorhat az érzékenységben.

Az álom az, hogy ezek az EDM-kísérletek lesznek az elsők, amelyek új fizika jeleit észlelik, és nyomon követési hullámot indítanak el más precíziós mérési kísérletekből és nagyobb részecskeütközőkből.

Az elektron alakja „olyan dolog, ami a természet alapvető törvényeinek teljesen új és eltérő darabjaira tanít bennünket” – mondta Graham. „Egy hatalmas felfedezés vár rá. Bízom benne, hogy eljutunk odáig.”