Elektronet er så rundt at det utelukker potensielle nye partikler

Se for deg et elektron som en sfærisk sky med negativ ladning. Hvis den ballen var litt mindre rund, kunne den bidratt til å forklare grunnleggende hull i vår forståelse av fysikk, inkludert hvorfor universet inneholder noe i stedet for ingenting.

Gitt innsatsen, har et lite samfunn av fysikere iherdig jaktet på enhver asymmetri i form av elektronet de siste tiårene. Eksperimentene er nå så følsomme at hvis et elektron var på størrelse med jorden, kunne de oppdage en støt på Nordpolen på høyden til et enkelt sukkermolekyl.

De siste resultatene er i: Elektronet er rundere enn det.

Den oppdaterte målingen skuffer alle som håper på tegn til ny fysikk. Men det hjelper fortsatt teoretikere å begrense modellene deres for hva ukjente partikler og krefter kan mangle i det nåværende bildet.

"Jeg er sikker på at det er vanskelig å være eksperimentell som måler null hele tiden, [men] til og med et nullresultat i dette eksperimentet er virkelig verdifullt og virkelig lærer oss noe," sa Peter Graham, en teoretisk fysiker ved Stanford University. Den nye studien er "en teknologisk tour de force og også veldig viktig for ny fysikk."

Krypskyting av elefanter

De Standard modell for partikkelfysikk er vår beste liste over alle partiklene som finnes i universets dyrehage. Teorien har holdt seg eksepsjonelt godt i eksperimentelle tester de siste tiårene, men den etterlater noen seriøse "elefanter i rommet," sa Dmitry Budker, en fysiker ved University of California, Berkeley.

For det første er vår eksistens bevis på at standardmodellen er ufullstendig, siden Big Bang ifølge teorien skulle ha produsert like deler materie og antimaterie som ville ha utslettet hverandre.

I 1967 foreslo den sovjetiske fysikeren Andrei Sakharov en mulig løsning til denne spesielle gåten. Han formodet at det må være en mikroskopisk prosess i naturen som ser annerledes ut omvendt; på den måten kan materie vokse til å dominere over antimaterie. Noen år før hadde fysikere oppdaget et slikt scenario i forfallet av kaon-partikkelen. Men det alene var ikke nok til å forklare asymmetrien.

Helt siden den gang har fysikere vært på jakt for å finne hint av nye partikler som kan vippe skalaen ytterligere. Noen gjør det direkte ved å bruke Large Hadron Collider - ofte omtalt som den mest kompliserte maskinen som noen gang er bygget. Men i løpet av de siste tiårene har et relativt lavbudsjettsalternativ dukket opp: å se på hvordan hypotetiske partikler ville endre egenskapene til kjente partikler. "Du ser fotspor [av ny fysikk], men du ser faktisk ikke tingen som skapte dem," sa Michael Ramsey-Musolf, en teoretisk fysiker ved University of Massachusetts, Amherst.

Et slikt potensielt fotavtrykk kan vises i elektronets rundhet. Kvantemekanikken tilsier at inne i elektronets sky av negativ ladning flimrer andre partikler konstant inn og ut av eksistensen. Tilstedeværelsen av visse "virtuelle" partikler utenfor standardmodellen - den typen som kan bidra til å forklare materiens primordiale overlegenhet - ville få elektronets sky til å se litt mer eggformet ut. En spiss ville ha litt mer positiv ladning, den andre litt mer negativ, som endene på en stangmagnet. Denne ladningsseparasjonen omtales som det elektriske dipolmomentet (EDM).

Standardmodellen spår en forsvinnende liten EDM for elektronet - nesten en million ganger mindre enn hva gjeldende teknikker kan undersøke. Så hvis forskere skulle oppdage en avlang form ved hjelp av dagens eksperimenter, ville det avsløre definitive spor av ny fysikk og peke mot hva standardmodellen kan mangle.

For å søke etter elektronets EDM, ser forskerne etter en endring i partikkelens spinn, en iboende egenskap som definerer dens orientering. Elektronets spinn kan lett roteres av magnetiske felt, med dets magnetiske moment som et slags håndtak. Målet med disse tabletop-eksperimentene er å prøve å rotere spinnet ved hjelp av elektriske felt i stedet, med EDM som et elektrisk håndtak.

"Hvis elektronet er perfekt sfærisk, har det ingen håndtak å ta tak i for å utøve et dreiemoment," sa Amar Vutha, fysiker ved University of Toronto. Men hvis det er en betydelig EDM, vil det elektriske feltet bruke det til å trekke på elektronets spinn.

I 2011, forskere ved Imperial College London viste at de kunne forsterke denne håndtakseffekten ved å forankre elektronet til et tungt molekyl. Siden den gang har to hovedteam hoppet over hverandre med noen års mellomrom med stadig mer presise målinger.

Ett eksperiment, nå ved Northwestern University, går under navnet Advanced Cold Molecule Electron EDM, eller ACME (et bakronym inspirert av det gamle Road Runner tegneserier). En annen er basert ved University of Colorados JILA-institutt. De konkurrerende lagenes målinger har økt i følsomhet med en faktor på 200 i løpet av det siste tiåret - fortsatt uten EDM å se.

"Det er et slags løp, bortsett fra at vi ikke har noen anelse om hvor mållinjen er, eller om det er en mållinje, til og med," sa David DeMille, en fysiker ved University of Chicago og en av lederne for ACME-gruppen.

Et kappløp mot det ukjente

For å holde trekkingen fremover ønsker forskerne to ting: flere målinger og lengre måletid. De to lagene tar motsatte tilnærminger.

ACME-gruppen, som satte forrige rekord i 2018, prioriterer mengde målinger. De skyter en stråle av nøytrale molekyler over laboratoriet, og sonderer titalls millioner av dem hvert sekund, men bare i noen få millisekunder hver. JILA-gruppen måler færre molekyler, men lenger: De fanger noen hundre molekyler om gangen, og måler dem deretter i opptil tre sekunder.

Ionefangstteknikken, først utviklet av Erik Cornell, en fysiker ved University of Colorado, Boulder som leder JILA-gruppen, var "et stort konseptuelt gjennombrudd," sa DeMille. «Mange i feltet syntes dette var galt. Det er veldig spennende å se det komme til utførelse.»

Å ha to forskjellige eksperimentelle oppsett som kan krysssjekke hverandre er "absolutt avgjørende," sa Budker. «Jeg har ikke ord for å uttrykke min beundring for denne kløkten og utholdenheten. Det er bare den beste vitenskapen som finnes.»

Cornells teknikk var først showcased i 2017 med hafniumfluoridmolekyler. Siden den gang har tekniske forbedringer gjort det mulig for gruppen å overgå ACMEs rekord med en faktor på 2.4, som beskrevet i en nylig fortrykk ledet av Cornells tidligere doktorgradsstudent Tanya Roussy. Teamet nektet å kommentere mens papiret deres er under vurdering kl Science.

Å undersøke elektronets rundhet med økt presisjon tilsvarer å lete etter ny fysikk på høyere energiskalaer, eller lete etter tegn på tyngre partikler. Denne nye grensen er følsom for energier over omtrent 10¹³ elektronvolt - mer enn en størrelsesorden utover det LHC kan teste for øyeblikket. For noen tiår siden forventet de fleste teoretikere at hint av nye partikler ville bli oppdaget betydelig under denne skalaen. Hver gang baren stiger, blir noen ideer miskreditert.

"Vi må fortsette å kjempe med hva disse grensene innebærer," sa Ramsey-Musolf. "Ingenting er drept ennå, men det øker varmen."

I mellomtiden går elektron EDM-fellesskapet fremover. I fremtidige eksperimentelle iterasjoner har duellgruppene som mål å møtes et sted i midten: JILA-teamet planlegger å lage en stråle full av ioner for å øke antallet, og ACME-teamet ønsker å utvide lengden på strålen for å øke måletiden. Vutha jobber til og med med «noen helt gale» tilnærminger, som å fryse molekyler i isblokker, i håp om å hoppe flere størrelsesordener i følsomhet.

Drømmen er at disse EDM-eksperimentene vil være de første til å oppdage tegn på ny fysikk, noe som fører til en bølge av oppfølgingsundersøkelser fra andre presisjonsmålingsforsøk og større partikkelkolliderere.

Formen på elektronet er "noe som lærer oss om helt nye og forskjellige deler av de grunnleggende naturlovene," sa Graham. «Det er en stor oppdagelse som venter på å skje. Jeg er optimistisk på at vi kommer dit."