อิเล็กตรอนนั้นกลมมากจนสามารถแยกแยะอนุภาคใหม่ที่มีศักยภาพได้

จินตนาการว่าอิเล็กตรอนเป็นเมฆทรงกลมที่มีประจุลบ หากลูกบอลนั้นกลมน้อยกว่านี้เล็กน้อย มันสามารถช่วยอธิบายช่องว่างพื้นฐานในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ รวมถึงสาเหตุที่จักรวาลมีบางสิ่งมากกว่าไม่มีอะไรเลย

เมื่อคำนึงถึงความเสี่ยง ชุมชนนักฟิสิกส์กลุ่มเล็ก ๆ ได้พยายามค้นหาความไม่สมดุลของรูปร่างของอิเล็กตรอนในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา การทดลองนี้มีความละเอียดอ่อนมากจนหากอิเล็กตรอนมีขนาดเท่าโลก พวกมันสามารถตรวจจับการกระแทกที่ขั้วโลกเหนือได้ในระดับความสูงของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว

ผลลัพธ์ล่าสุดอยู่ใน: อิเล็กตรอนจะกลมกว่านั้น

การวัดที่อัปเดตทำให้ทุกคนที่คาดหวังสัญญาณของฟิสิกส์ใหม่ต้องผิดหวัง แต่ก็ยังช่วยให้นักทฤษฎีสามารถจำกัดแบบจำลองของตนสำหรับสิ่งที่ไม่ทราบอนุภาคและแรงที่อาจขาดหายไปจากภาพปัจจุบัน

“ฉันแน่ใจว่ามันยากที่จะเป็นนักทดลองโดยวัดค่าเป็นศูนย์ตลอดเวลา [แต่] แม้แต่ผลลัพธ์ที่เป็นโมฆะในการทดลองนี้ก็มีค่ามากและสอนเราบางอย่างจริงๆ” กล่าว ปีเตอร์เกรแฮมนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด การศึกษาใหม่คือ "ทัวร์เดอแรงทางเทคโนโลยีและสำคัญมากสำหรับฟิสิกส์ใหม่"

รุกล้ำช้าง

พื้นที่ แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เป็นรายชื่อที่ดีที่สุดของอนุภาคทั้งหมดที่มีอยู่ในสวนสัตว์ของจักรวาล ทฤษฎีนี้ได้รับการยอมรับอย่างดีเป็นพิเศษในการทดสอบเชิงทดลองในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา แต่มันทิ้ง "ช้างที่จริงจังไว้ในห้อง" กล่าว ดมิทรี บัดเกอร์นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์

ประการหนึ่ง การดำรงอยู่ของเราเป็นเพียงข้อพิสูจน์ว่าแบบจำลองมาตรฐานนั้นไม่สมบูรณ์ เนื่องจากตามทฤษฎีแล้ว บิกแบงน่าจะสร้างสสารและปฏิสสารในปริมาณเท่าๆ กันซึ่งจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน

ในปี 1967 Andrei Sakharov นักฟิสิกส์ชาวโซเวียตได้เสนอ ทางออกที่เป็นไปได้ สำหรับปริศนาเฉพาะนี้ เขาสันนิษฐานว่าต้องมีกระบวนการทางจุลทรรศน์บางอย่างในธรรมชาติที่ดูแตกต่างไปจากเดิม ด้วยวิธีนี้ สสารสามารถเติบโตจนครอบงำปฏิสสารได้ ไม่กี่ปีก่อน นักฟิสิกส์มี ค้นพบ สถานการณ์ดังกล่าวในการสลายตัวของอนุภาคคาออน แต่เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะอธิบายความไม่สมมาตร

นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา นักฟิสิกส์ก็พยายามค้นหาคำใบ้ของอนุภาคใหม่ๆ บางคนทำโดยตรงโดยใช้เครื่องชนกันแฮดรอนขนาดใหญ่ ซึ่งมักถูกขนานนามว่าเป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา แต่ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ทางเลือกที่มีงบประมาณค่อนข้างต่ำได้เกิดขึ้น: การดูว่าอนุภาคสมมุติจะเปลี่ยนคุณสมบัติของอนุภาคที่รู้จักได้อย่างไร “คุณเห็นรอยเท้า [ของฟิสิกส์ใหม่] แต่คุณไม่เห็นสิ่งที่สร้างมันขึ้นมาจริงๆ” กล่าว ไมเคิล แรมซีย์-มูซอล์ฟนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ รัฐแอมเฮิสต์

รอยเท้าที่มีศักยภาพดังกล่าวอาจปรากฏขึ้นในความกลมของอิเล็กตรอน กลศาสตร์ควอนตัมกำหนดว่าภายในก้อนเมฆประจุลบของอิเล็กตรอน อนุภาคอื่น ๆ จะกะพริบอยู่ตลอดเวลา การปรากฏตัวของอนุภาค "เสมือน" บางอย่างนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งเป็นชนิดที่สามารถช่วยอธิบายความยิ่งใหญ่ในยุคแรกเริ่มของสสารได้ จะทำให้เมฆของอิเล็กตรอนมีลักษณะเป็นรูปไข่มากขึ้นเล็กน้อย ปลายด้านหนึ่งจะมีประจุบวกมากกว่าเล็กน้อย ส่วนอีกปลายหนึ่งจะมีประจุเป็นลบมากกว่าเล็กน้อย เช่นเดียวกับปลายแท่งแม่เหล็ก การแยกประจุนี้เรียกว่าช่วงเวลาไดโพลไฟฟ้า (EDM)

แบบจำลองมาตรฐานคาดการณ์ EDM ขนาดเล็กที่หายไปสำหรับอิเล็กตรอน ซึ่งเล็กกว่าที่เทคนิคปัจจุบันสามารถตรวจสอบได้เกือบล้านเท่า ดังนั้น หากนักวิจัยตรวจพบรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าโดยใช้การทดลองในปัจจุบัน ก็จะเผยให้เห็นร่องรอยที่ชัดเจนของฟิสิกส์ใหม่ และชี้ให้เห็นถึงสิ่งที่แบบจำลองมาตรฐานอาจขาดหายไป

ในการค้นหา EDM ของอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์มองหาการเปลี่ยนแปลงในการหมุนของอนุภาค ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงที่กำหนดทิศทางของมัน การหมุนของอิเล็กตรอนสามารถหมุนได้อย่างง่ายดายด้วยสนามแม่เหล็ก โดยมีโมเมนต์แม่เหล็กทำหน้าที่เป็นตัวจับ เป้าหมายของการทดลองบนโต๊ะเหล่านี้คือการพยายามหมุนสปินโดยใช้สนามไฟฟ้าแทน โดยมี EDM เป็นตัวจับไฟฟ้า

“ถ้าอิเล็กตรอนเป็นทรงกลมอย่างสมบูรณ์ มันก็ไม่มีที่จับให้จับเพื่อสร้างแรงบิด” กล่าว อมรวุฒานักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโต แต่ถ้ามี EDM ขนาดใหญ่ สนามไฟฟ้าจะใช้มันดึงสปินของอิเล็กตรอน

ในปี 2011 นักวิจัยจาก Imperial College London แสดงให้เห็นว่า พวกเขาสามารถขยายเอฟเฟกต์จับนี้โดยการยึดอิเล็กตรอนกับโมเลกุลหนัก ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ทีมหลักสองทีมก็พัฒนาอย่างก้าวกระโดดในทุก ๆ สองสามปีด้วยการวัดที่แม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ

การทดลองหนึ่งซึ่งปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น ใช้ชื่อว่า Advanced Cold Molecule Electron EDM หรือ ACME (คำพ้องเสียงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสมัยก่อน ถนนนักวิ่ง การ์ตูน). อีกแห่งตั้งอยู่ที่สถาบัน JILA ของมหาวิทยาลัยโคโลราโด การวัดค่าของทีมคู่แข่งได้เพิ่มความไวขึ้นถึง 200 เท่าในทศวรรษที่ผ่านมา แต่ก็ยังไม่มี EDM ให้เห็น

“มันเป็นการแข่งขันแบบหนึ่ง เว้นแต่เราไม่รู้ว่าเส้นชัยอยู่ที่ไหน หรือมีเส้นชัยหรือไม่ด้วยซ้ำ” กล่าว เดวิด เดอมิลล์นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกและหนึ่งในผู้นำของกลุ่ม ACME

การแข่งขันที่ไม่รู้จัก

เพื่อให้ก้าวไปข้างหน้า นักวิจัยต้องการสองสิ่ง: การวัดที่มากขึ้นและเวลาในการวัดที่นานขึ้น ทั้งสองทีมใช้แนวทางตรงกันข้าม

กลุ่ม ACME ซึ่งเป็นผู้กำหนด บันทึกก่อนหน้า ในปี 2018 ให้ความสำคัญกับปริมาณการวัด พวกเขายิงลำแสงของโมเลกุลที่เป็นกลางไปทั่วห้องทดลอง สำรวจโมเลกุลหลายสิบล้านตัวทุกๆ วินาที แต่เพียงไม่กี่มิลลิวินาทีต่อวินาทีเท่านั้น กลุ่ม JILA วัดโมเลกุลน้อยลงแต่นานกว่า: พวกเขาดักจับโมเลกุลไม่กี่ร้อยตัวต่อครั้ง จากนั้นตรวจวัดพวกมันนานถึงสามวินาที

เทคนิคการดักจับไอออน พัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย เอริค คอร์เนลนักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ผู้กำกับกลุ่ม JILA คือ “การค้นพบทางความคิดครั้งใหญ่” เดอมิลล์กล่าว “หลายคนในสนามคิดว่ามันบ้าไปแล้ว การได้เห็นมันบรรลุผลนั้นน่าตื่นเต้นจริงๆ”

Budker กล่าวว่า การมีการตั้งค่าการทดลองที่แตกต่างกันสองแบบซึ่งสามารถตรวจสอบข้ามกันได้นั้น “สำคัญมาก” Budker กล่าว “ฉันไม่มีคำพูดใดที่จะแสดงความชื่นชมในความฉลาดและความอุตสาหะนี้ มันเป็นเพียงวิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุดเท่านั้น”

เทคนิคของ Cornell เป็นอันดับแรก จัดแสดง ในปี 2017 ด้วยโมเลกุลของแฮฟเนียมฟลูออไรด์ ตั้งแต่นั้นมา การปรับปรุงทางเทคนิคทำให้กลุ่มสามารถทำลายสถิติของ ACME ได้ถึง 2.4 เท่าตามที่อธิบายไว้ใน พิมพ์ล่วงหน้าล่าสุด นำโดย Tanya Roussy อดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Cornell ทีมงานปฏิเสธที่จะแสดงความคิดเห็นในขณะที่เอกสารของพวกเขาอยู่ระหว่างการตรวจสอบที่ วิทยาศาสตร์

การตรวจสอบความกลมของอิเล็กตรอนด้วยความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นเท่ากับการมองหาฟิสิกส์ใหม่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น หรือมองหาสัญญาณของอนุภาคที่หนักกว่า ขอบเขตใหม่นี้ไวต่อพลังงานที่สูงกว่าประมาณ 10¹³ อิเล็กตรอนโวลต์ - มากกว่าลำดับความสำคัญเกินกว่าที่ LHC สามารถทดสอบได้ในปัจจุบัน ไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา นักทฤษฎีส่วนใหญ่คาดว่าคำใบ้ของอนุภาคใหม่จะถูกค้นพบต่ำกว่าระดับนี้อย่างมาก แต่ละครั้งที่แถบสูงขึ้น ความคิดบางอย่างก็น่าอดสู

“เราต้องต่อสู้กับขีดจำกัดเหล่านี้ต่อไป” Ramsey-Musolf กล่าว “ยังไม่มีอะไรตาย แต่มันทำให้ความร้อนแรงขึ้น”

ในขณะเดียวกัน ชุมชน EDM ของอิเล็กตรอนก็ก้าวไปข้างหน้า ในการทดลองซ้ำๆ ในอนาคต กลุ่มดวลตั้งเป้าว่าจะพบกันที่ไหนสักแห่งตรงกลาง: ทีม JILA วางแผนที่จะสร้างลำแสงที่เต็มไปด้วยไอออนเพื่อเพิ่มจำนวนของพวกเขา และทีม ACME ต้องการขยายความยาวของลำแสงเพื่อเพิ่มเวลาในการวัด วุธายังทำงานด้วยวิธีการที่ "บ้าสุดๆ" เช่น การแช่แข็งโมเลกุลในก้อนน้ำแข็ง ด้วยความหวังที่จะก้าวกระโดดไปหลายระดับด้วยความไว

ความฝันคือการทดลอง EDM เหล่านี้จะเป็นครั้งแรกที่ตรวจพบสัญญาณของฟิสิกส์ใหม่ กระตุ้นการสืบสวนติดตามผลจากการทดลองวัดความแม่นยำอื่นๆ และการชนกันของอนุภาคขนาดใหญ่

รูปร่างของอิเล็กตรอนเป็น "สิ่งที่สอนเราเกี่ยวกับกฎพื้นฐานของธรรมชาติที่ใหม่และแตกต่างโดยสิ้นเชิง" เกรแฮมกล่าว “มีการค้นพบครั้งใหญ่รออยู่ ฉันมองโลกในแง่ดีว่าเราจะไปถึงที่นั่น”