Электроны чрезвычайно круглые, подтверждают новые измерения

Чтобы проверить, действительно ли электроны круглые, физики использовали электрически заряженные молекулы фторида гафния, содержащиеся в вакуумной камере (на фото).

Кейси А. Касс/Университет Колорадо

Эмили Коновер

6 июля 2023 г., 14:00

Электроны действительно очень круглые.

Новое измерение подтверждает сферическую форму субатомной частицы с рекордной точностью, сообщают физики в журнале Science от 7 июля.

Эта почти идеальная округлость углубляет тайну того, как Вселенная оказалась наполнена материей, а не ее аналогом, антиматерией. Любая асимметрия в форме электрона, а именно в распределении электрического заряда частицы, указывала бы на соответствующую асимметрию в законах природы, которая могла бы объяснить эту особенность космоса.

Измерение свойства, известного на языке физиков как электрический дипольный момент электрона, в два раза точнее, чем предыдущее лучшее измерение формы электрона (SN: 17.10.18).

«Я не думаю, что Книга рекордов Гиннесса отслеживает это, но если бы они это сделали, у нас был бы новый мировой рекорд», — говорит физик Таня Русси из Университета Колорадо в Боулдере. Новое измерение настолько точное, что если бы электрон был размером с Землю, любая асимметрия в его форме должна была бы быть в масштабе меньше атома.

Чтобы оценить форму частицы, Русси и его коллеги посмотрели, вращаются ли электроны в электрическом поле. Если бы электроны были не круглыми, а слегка яйцеобразными, электрическое поле оказывало бы на них крутящий момент, подобно тому, как сила тяжести опрокидывает яйцо, стоящее на конце.

Чтобы увидеть этот крутящий момент, команда искала изменения в энергетических уровнях электрически заряженных молекул фторида гафния. Любой крутящий момент электронов придал бы молекулам разные уровни энергии в зависимости от того, в каком направлении «яйцо» было ориентировано относительно электрического поля. Исследователи не обнаружили различий в энергетических уровнях молекул, что подтверждает округлую форму электрона.

На самом базовом уровне электроны представляют собой точечные частицы без определенного размера и формы. Но в квантовой теории поля электроны можно рассматривать как окруженные временными «виртуальными» частицами, которые появляются и исчезают, придавая каждому электрону сферический ореол электрического заряда. Если окажется, что этот ореол имеет лишь слегка яйцеобразную форму, это может указывать на то, что Вселенная стала перекосом по отношению к материи.

Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных частях — они являются зеркальным отражением друг друга и имеют противоположные электрические заряды. Но материя в нашей Вселенной распространена, а антиматерии мало. Физики-теоретики предположили, что существование определенных субатомных частиц могло склонить чашу весов в сторону материи (SN: 22.09.22). Если бы эти частицы существовали, они также временно появлялись бы и исчезали вокруг электрона, делая его продолговатым.

Такие частицы будут настолько массивными и, следовательно, для их производства потребуется так много энергии, что их невозможно будет обнаружить даже на крупнейшем в мире ускорителе частиц — Большом адроном коллайдере недалеко от Женевы. Это делает чувствительные исследования округлости электрона важным испытанием для физиков элементарных частиц. И такие эксперименты будут совершенствоваться и дальше, проверяя частицы еще большей массы, говорит физик Дэвид Демилль из Чикагского университета, один из ученых, стоящих за предыдущим лучшим измерением округлости электрона.

На данный момент новый результат не показывает никаких следов каких-либо скрытых частиц, оставляя неразгаданной тайну того, как материя взяла верх. И это, по словам Демилля, «оставляет нас перед вопросом, что же там происходит».

Вопросы или комментарии к этой статье? Пишите нам по адресу [email protected] | Перепечатки: часто задаваемые вопросы

Т. С. Русси и др. Улучшенное ограничение электрического дипольного момента электрона. Наука. Том. 381, 7 июля 2023 г., с. 46. ​​дои: 10.1126/science.adg4084.

Писательница-физик Эмили Коновер имеет докторскую степень. по физике из Чикагского университета. Она является двукратным лауреатом премии Ассоциации научных писателей округа Колумбия.