Elektron jest tak okrągły, że wyklucza potencjalne nowe cząstki

Wyobraź sobie elektron jako sferyczną chmurę ładunku ujemnego. Gdyby ta kula była choć trochę mniej okrągła, mogłoby to pomóc wyjaśnić fundamentalne luki w naszym rozumieniu fizyki, w tym dlaczego wszechświat zawiera raczej coś niż nic.

Biorąc pod uwagę stawkę, niewielka społeczność fizyków od kilku dziesięcioleci uparcie poluje na asymetrię kształtu elektronu. Eksperymenty są teraz tak czułe, że gdyby elektron był wielkości Ziemi, mogliby wykryć uderzenie na biegunie północnym o wysokości pojedynczej cząsteczki cukru.

Najnowsze wyniki znajdują się w: Elektron jest bardziej okrągły.

Zaktualizowany pomiar rozczarowuje każdego, kto ma nadzieję na oznaki nowej fizyki. Ale nadal pomaga teoretykom ograniczyć ich modele do tego, jakich nieznanych cząstek i sił może brakować w obecnym obrazie.

„Jestem pewien, że trudno jest być eksperymentatorem, który cały czas mierzy zero, [ale] nawet zerowy wynik w tym eksperymencie jest naprawdę cenny i naprawdę czegoś nas uczy” – powiedział Piotr Graham, fizyk teoretyczny na Uniwersytecie Stanforda. Nowe badanie jest „technologicznym tour de force, a także bardzo ważnym dla nowej fizyki”.

Kłusownictwo na słonie

Połączenia Model Standardowy Fizyki Cząstek to nasza najlepsza lista wszystkich cząstek, które istnieją w zoo wszechświata. Teoria sprawdziła się wyjątkowo dobrze w testach eksperymentalnych w ciągu ostatnich kilku dekad, ale pozostawia kilka poważnych „słoni w pokoju”, powiedział Dmitrij Budker, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

Po pierwsze, samo nasze istnienie jest dowodem na to, że Model Standardowy jest niekompletny, ponieważ zgodnie z tą teorią Wielki Wybuch powinien był wytworzyć równe części materii i antymaterii, które wzajemnie by się unicestwiły.

W 1967 roku radziecki fizyk Andriej Sacharow zaproponował tzw możliwe rozwiązanie do tej konkretnej zagadki. Przypuszczał, że w naturze musi istnieć jakiś mikroskopijny proces, który wygląda inaczej w odwrotnej kolejności; w ten sposób materia mogłaby dominować nad antymaterią. Kilka lat wcześniej fizycy mieli odkryty taki scenariusz w rozpadzie cząstki kaonu. Ale samo to nie wystarczyło, by wyjaśnić asymetrię.

Od tego czasu fizycy polowali na ślady nowych cząstek, które mogłyby jeszcze bardziej przechylić szalę. Niektórzy robią to bezpośrednio, używając Wielkiego Zderzacza Hadronów — często reklamowanego jako najbardziej skomplikowana maszyna, jaką kiedykolwiek zbudowano. Ale w ciągu ostatnich kilku dekad pojawiła się stosunkowo niskobudżetowa alternatywa: spojrzenie na to, jak hipotetyczne cząstki zmieniłyby właściwości znanych cząstek. „Widzisz ślady [nowej fizyki], ale tak naprawdę nie widzisz rzeczy, która je stworzyła” – powiedział Michaela Ramseya-Musolfa, fizyk teoretyczny z University of Massachusetts w Amherst.

Jeden taki potencjalny ślad mógłby pojawić się w okrągłości elektronu. Mechanika kwantowa mówi, że wewnątrz chmury elektronów o ujemnym ładunku inne cząstki nieustannie pojawiają się i znikają. Obecność pewnych „wirtualnych” cząstek poza Modelem Standardowym – takich, które mogłyby pomóc wyjaśnić pierwotną supremację materii – sprawiłaby, że chmura elektronów wyglądałaby nieco bardziej jajowato. Jedna końcówka miałaby nieco więcej ładunku dodatniego, a druga nieco bardziej ujemnego, jak końce magnesu sztabkowego. To oddzielenie ładunku jest określane jako elektryczny moment dipolowy (EDM).

Model standardowy przewiduje znikomą małą EDM dla elektronu — prawie milion razy mniejszą niż to, co mogą zbadać obecne techniki. Jeśli więc naukowcy mieliby wykryć podłużny kształt za pomocą dzisiejszych eksperymentów, ujawniłoby to ostateczne ślady nowej fizyki i wskazałoby, czego może brakować w Modelu Standardowym.

Aby znaleźć EDM elektronu, naukowcy szukają zmiany w spinie cząstki, wewnętrznej właściwości, która określa jej orientację. Spin elektronu może być łatwo obracany przez pola magnetyczne, a jego moment magnetyczny służy jako rodzaj uchwytu. Celem tych eksperymentów stołowych jest próba obrócenia wirowania za pomocą pól elektrycznych zamiast EDM jako elektrycznego uchwytu.

„Jeśli elektron jest idealnie kulisty, nie ma uchwytów, których można by się uchwycić, aby wywrzeć moment obrotowy” – powiedział Amar Vutha, fizyk z Uniwersytetu w Toronto. Ale jeśli istnieje spory EDM, pole elektryczne użyje go do szarpania spinu elektronu.

W 2011 roku naukowcy z Imperial College London pokazał że mogą wzmocnić ten efekt uchwytu poprzez zakotwiczenie elektronu w ciężkiej cząsteczce. Od tego czasu dwa główne zespoły przeskakują ze sobą co kilka lat, wykonując coraz bardziej precyzyjne pomiary.

Jeden z eksperymentów, obecnie prowadzony na Northwestern University, nosi nazwę Advanced Cold Molecule Electron EDM lub ACME (backronim inspirowany starym Road Runner kreskówki). Inny ma siedzibę w instytucie JILA Uniwersytetu Kolorado. Czułość pomiarów konkurencyjnych zespołów wzrosła 200-krotnie w ciągu ostatniej dekady — wciąż nie widać EDM.

„To rodzaj wyścigu, z wyjątkiem tego, że nie mamy pojęcia, gdzie jest linia mety ani czy w ogóle jest linia mety”, powiedział Davida DeMille'a, fizyk z University of Chicago i jeden z liderów grupy ACME.

Wyścig w nieznane

Aby kontynuować trekking, badacze chcą dwóch rzeczy: większej liczby pomiarów i dłuższego czasu pomiaru. Obie drużyny przyjmują odmienne podejścia.

Grupa ACME, która wyznaczyła poprzednie nagranie w 2018 r. priorytetowo traktuje ilość pomiarów. Wystrzeliwują wiązkę neutralnych cząsteczek w laboratorium, sondując dziesiątki milionów z nich co sekundę, ale tylko przez kilka milisekund każda. Grupa JILA mierzy mniej cząsteczek, ale dłużej: wyłapują kilkaset cząsteczek na raz, a następnie mierzą je przez maksymalnie trzy sekundy.

Technika pułapkowania jonów, opracowana po raz pierwszy przez Erica Cornella, fizyk z University of Colorado, Boulder, który kieruje grupą JILA, był „wielkim przełomem koncepcyjnym”, powiedział DeMille. „Wiele osób w terenie uważało, że to szaleństwo. Obserwowanie, jak to się urzeczywistnia, jest naprawdę ekscytujące”.

Posiadanie dwóch różnych konfiguracji eksperymentalnych, które mogą się wzajemnie sprawdzać, jest „absolutnie kluczowe” – powiedział Budker. „Brak mi słów, by wyrazić podziw dla tej sprytu i wytrwałości. To po prostu najlepsza nauka, jaka istnieje”.

Technika Cornella była pierwsza prezentowany w 2017 roku z cząsteczkami fluorku hafnu. Od tego czasu ulepszenia techniczne pozwoliły grupie pobić rekord ACME o współczynnik 2.4, jak opisano w ostatnia preprint kierowana przez byłą studentkę Cornella, Tanyę Roussy. Zespół odmówił komentarza, podczas gdy ich artykuł jest w trakcie przeglądu o godz Science.

Badanie okrągłości elektronu ze zwiększoną precyzją jest równoznaczne z poszukiwaniem nowej fizyki w wyższych skalach energetycznych lub poszukiwaniem śladów cięższych cząstek. Ta nowa granica jest wrażliwa na energie powyżej około 10¹³ elektronowoltów — więcej niż o rząd wielkości poza to, co LHC może obecnie testować. Kilka dekad temu większość teoretyków spodziewała się, że ślady nowych cząstek zostaną odkryte znacznie poniżej tej skali. Za każdym razem, gdy poprzeczka się podnosi, niektóre pomysły są dyskredytowane.

„Musimy nadal zmagać się z tym, co oznaczają te ograniczenia” – powiedział Ramsey-Musolf. „Nic jeszcze nie zginęło, ale robi się gorąco”.

Tymczasem społeczność elektronowego EDM posuwa się naprzód. W przyszłych iteracjach eksperymentalnych grupy pojedynków chcą spotkać się gdzieś pośrodku: zespół JILA planuje stworzyć wiązkę pełną jonów, aby zwiększyć ich liczbę, a zespół ACME chce wydłużyć wiązkę, aby wydłużyć czas pomiaru. Vutha pracuje nawet nad „całkowicie szalonymi” podejściami, takimi jak zamrażanie cząsteczek w blokach lodu, w nadziei na skok czułości o kilka rzędów wielkości.

Marzeniem jest, aby te eksperymenty EDM jako pierwsze wykryły oznaki nowej fizyki, wywołując falę dalszych badań z innych precyzyjnych eksperymentów pomiarowych i większych zderzaczy cząstek.

Kształt elektronu jest „czymś, co uczy nas o zupełnie nowych i różnych fragmentach podstawowych praw natury” – powiedział Graham. „Ogromne odkrycie czeka na dokonanie. Jestem optymistą, że tam dotrzemy”.