Electron tròn đến mức nó loại trừ các hạt mới tiềm năng

Hãy tưởng tượng một electron là một đám mây hình cầu mang điện tích âm. Nếu quả bóng đó hơi tròn hơn một chút, thì nó có thể giúp giải thích những lỗ hổng cơ bản trong hiểu biết của chúng ta về vật lý, bao gồm cả lý do tại sao vũ trụ chứa một thứ gì đó chứ không phải không có gì.

Với các cổ phần, một cộng đồng nhỏ các nhà vật lý đã kiên trì săn lùng bất kỳ sự bất đối xứng nào trong hình dạng của electron trong vài thập kỷ qua. Các thí nghiệm hiện nay nhạy đến mức nếu một electron có kích thước bằng Trái đất, chúng có thể phát hiện ra một vết sưng ở Bắc Cực có chiều cao bằng một phân tử đường.

Kết quả mới nhất là: Electron tròn hơn thế.

Phép đo được cập nhật làm thất vọng bất kỳ ai hy vọng vào các dấu hiệu của vật lý mới. Nhưng nó vẫn giúp các nhà lý thuyết hạn chế các mô hình của họ về những hạt và lực chưa biết nào có thể bị thiếu trong bức tranh hiện tại.

“Tôi chắc chắn rằng thật khó để trở thành nhà thực nghiệm đo lường số XNUMX mọi lúc, [nhưng] ngay cả kết quả bằng XNUMX trong thí nghiệm này cũng thực sự có giá trị và thực sự dạy cho chúng tôi điều gì đó,” nói Peter Graham, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Stanford. Nghiên cứu mới này là “một bước đột phá về công nghệ và cũng rất quan trọng đối với vật lý mới.”

săn trộm voi

Sản phẩm Mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt là danh sách tốt nhất của chúng tôi về tất cả các hạt tồn tại trong sở thú của vũ trụ. Lý thuyết này đã đứng vững một cách đặc biệt trong các thử nghiệm thực nghiệm trong vài thập kỷ qua, nhưng nó để lại một số “con voi trong phòng” nghiêm trọng, ông nói Dmitry Budker, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley.

Thứ nhất, sự tồn tại đơn thuần của chúng ta là bằng chứng cho thấy Mô hình Chuẩn không hoàn chỉnh, vì theo lý thuyết, Vụ nổ lớn lẽ ra phải tạo ra các phần vật chất và phản vật chất bằng nhau và sẽ triệt tiêu lẫn nhau.

Năm 1967, nhà vật lý Liên Xô Andrei Sakharov đề xuất một giải pháp khả thi cho câu hỏi hóc búa đặc biệt này. Ông phỏng đoán rằng phải có một quá trình vi mô nào đó trong tự nhiên có vẻ khác khi đảo ngược lại; theo cách đó, vật chất có thể phát triển để thống trị phản vật chất. Vài năm trước, các nhà vật lý đã phát hiện một kịch bản như vậy trong sự phân rã của hạt kaon. Nhưng điều đó thôi là không đủ để giải thích sự bất đối xứng.

Kể từ đó, các nhà vật lý đã săn lùng để tìm ra dấu hiệu của các hạt mới có thể vượt xa quy mô. Một số làm như vậy trực tiếp, sử dụng Máy Va chạm Hadron Lớn - thường được quảng cáo là cỗ máy phức tạp nhất từng được chế tạo. Nhưng trong vài thập kỷ qua, một giải pháp thay thế với kinh phí tương đối thấp đã xuất hiện: xem xét các hạt giả thuyết sẽ làm thay đổi tính chất của các hạt đã biết như thế nào. “Bạn nhìn thấy dấu chân [của vật lý mới], nhưng bạn không thực sự nhìn thấy thứ đã tạo ra chúng,” nói Michael Ramsey-Musolf, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Massachusetts, Amherst.

Một dấu chân tiềm năng như vậy có thể xuất hiện trong độ tròn của electron. Cơ học lượng tử chỉ ra rằng bên trong đám mây điện tích âm của electron, các hạt khác liên tục chập chờn tồn tại và biến mất. Sự hiện diện của một số hạt “ảo” ngoài Mô hình Chuẩn — loại có thể giúp giải thích tính ưu việt nguyên thủy của vật chất — sẽ làm cho đám mây electron trông giống hình quả trứng hơn một chút. Một đầu sẽ mang điện tích dương hơn một chút, đầu kia sẽ mang điện tích âm hơn một chút, giống như hai đầu của một thanh nam châm. Sự phân tách điện tích này được gọi là mômen lưỡng cực điện (EDM).

Mô hình Chuẩn dự đoán một EDM cực nhỏ biến mất đối với electron — nhỏ hơn gần một triệu lần so với những gì mà các kỹ thuật hiện tại có thể thăm dò. Vì vậy, nếu các nhà nghiên cứu phát hiện ra một hình dạng thuôn dài bằng cách sử dụng các thí nghiệm ngày nay, điều đó sẽ tiết lộ dấu vết rõ ràng của vật lý mới và chỉ ra những gì Mô hình Chuẩn có thể còn thiếu.

Để tìm kiếm EDM của electron, các nhà khoa học tìm kiếm sự thay đổi trong spin của hạt, một thuộc tính nội tại xác định hướng của nó. Spin của electron có thể dễ dàng quay bởi từ trường, với momen từ của nó đóng vai trò như một loại tay cầm. Thay vào đó, mục tiêu của các thí nghiệm trên bàn này là cố gắng xoay con quay bằng điện trường, với EDM là một tay cầm điện.

“Nếu electron có dạng hình cầu hoàn hảo, thì nó không có tay cầm để bám vào để tạo ra mô-men xoắn,” nói Amar Vutha, một nhà vật lý tại Đại học Toronto. Nhưng nếu có một EDM lớn, điện trường sẽ sử dụng nó để kéo spin của electron.

Năm 2011, các nhà nghiên cứu tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn cho thấy rằng họ có thể khuếch đại hiệu ứng xử lý này bằng cách neo electron vào một phân tử nặng. Kể từ đó, hai đội chính đã vượt qua nhau vài năm một lần với các phép đo ngày càng chính xác.

Một thí nghiệm, hiện tại Đại học Northwestern, có tên là Advanced Cold Molecule Electron EDM, hay ACME (một từ viết tắt lấy cảm hứng từ Road Runner phim hoạt hình). Một cái khác có trụ sở tại viện JILA của Đại học Colorado. Các phép đo của các đội cạnh tranh đã tăng độ nhạy lên gấp 200 lần trong thập kỷ qua — vẫn không thấy EDM.

“Đó giống như một cuộc đua, ngoại trừ việc chúng ta không biết vạch đích ở đâu, hoặc thậm chí liệu có vạch đích hay không,” nói David DeMille, một nhà vật lý tại Đại học Chicago và là một trong những nhà lãnh đạo của nhóm ACME.

Một cuộc đua đến những điều chưa biết

Để tiếp tục tiến lên phía trước, các nhà nghiên cứu muốn có hai điều: nhiều phép đo hơn và thời gian đo lâu hơn. Hai đội có cách tiếp cận trái ngược nhau.

Nhóm ACME đã thiết lập kỷ lục trước năm 2018, ưu tiên số lượng đo. Họ bắn một chùm phân tử trung tính khắp phòng thí nghiệm, thăm dò hàng chục triệu phân tử trong số đó mỗi giây, nhưng chỉ trong vài phần nghìn giây mỗi phân tử. Nhóm JILA đo ít phân tử hơn nhưng lâu hơn: Họ bẫy vài trăm phân tử mỗi lần, sau đó đo chúng trong tối đa ba giây.

Kỹ thuật bẫy ion, lần đầu tiên được phát triển bởi Eric Cornell, một nhà vật lý tại Đại học Colorado, Boulder, người chỉ đạo nhóm JILA, là “một bước đột phá lớn về mặt khái niệm,” DeMille nói. “Nhiều người trong lĩnh vực này nghĩ rằng điều này thật điên rồ. Nhìn thấy nó trở thành hiện thực thực sự rất thú vị.”

Budker cho biết việc có hai thiết lập thử nghiệm riêng biệt có thể kiểm tra chéo lẫn nhau là “rất quan trọng”. “Tôi không còn lời nào để bày tỏ sự khâm phục trước sự thông minh và bền bỉ này. Đó là khoa học tốt nhất hiện có.”

Kỹ thuật của Cornell lần đầu tiên giới thiệu vào năm 2017 với các phân tử hafni florua. Kể từ đó, những cải tiến kỹ thuật đã cho phép nhóm vượt qua kỷ lục của ACME với hệ số 2.4, như được mô tả trong bản in gần đây dẫn đầu bởi Tanya Roussy, cựu sinh viên tốt nghiệp của Cornell. Nhóm đã từ chối bình luận trong khi bài báo của họ đang được xem xét tại Khoa học.

Thăm dò độ tròn của electron với độ chính xác cao hơn tương đương với việc tìm kiếm vật lý mới ở thang năng lượng cao hơn hoặc tìm kiếm dấu hiệu của các hạt nặng hơn. Giới hạn mới này nhạy cảm với năng lượng trên khoảng 10¹³ electron-volt - nhiều hơn một bậc độ lớn ngoài những gì LHC hiện có thể kiểm tra. Một vài thập kỷ trước, hầu hết các nhà lý thuyết đều mong đợi rằng những gợi ý về các hạt mới sẽ được phát hiện dưới thang đo này một cách đáng kể. Mỗi khi thanh tăng lên, một số ý tưởng bị mất uy tín.

Ramsey-Musolf nói: “Chúng ta phải tiếp tục vật lộn với ý nghĩa của những giới hạn này. “Vẫn chưa có gì bị giết, nhưng nó đang tăng nhiệt độ.”

Trong khi đó, cộng đồng EDM điện tử tiến lên phía trước. Trong các lần lặp lại thử nghiệm trong tương lai, các nhóm đấu tay đôi muốn gặp nhau ở đâu đó ở giữa: Nhóm JILA dự định tạo ra một chùm chứa đầy ion để tăng số lượng của chúng và nhóm ACME muốn kéo dài độ dài của chùm tia để tăng thời gian đo. Vutha thậm chí đang nghiên cứu một số phương pháp tiếp cận “hoàn toàn điên rồ”, chẳng hạn như đóng băng các phân tử trong các khối băng, với hy vọng tăng độ nhạy lên vài bậc.

Ước mơ là những thí nghiệm EDM này sẽ là thí nghiệm đầu tiên phát hiện ra các dấu hiệu của vật lý mới, thúc đẩy làn sóng điều tra tiếp theo từ các thí nghiệm đo lường chính xác khác và máy va chạm hạt lớn hơn.

Hình dạng của electron là “thứ dạy chúng ta về những phần hoàn toàn mới và khác biệt của các quy luật cơ bản của tự nhiên,” Graham nói. “Có một khám phá lớn đang chờ xảy ra. Tôi lạc quan rằng chúng ta sẽ đạt được điều đó.”