Εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις σχήματος πεδίου ηλεκτρονίων επιβεβαιώνουν το τυπικό μοντέλο της φυσικής σωματιδίων
Ένα νέο πείραμα που επιτρέπει στους επιστήμονες να μετρήσουν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα προηγουμένως άνευ προηγουμένου επίπεδο ακρίβειας έχει προσφέρει νέα εικόνα για τη δομή κβαντικής κλίμακας του αγαπημένου στοιχειώδους σωματιδίου του καθενός.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 17 Οκτωβρίου στο Nature και διεξήχθη από μια ομάδα στην Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment (ACME) Search, αναφέρει τα ευρήματα ότι το σχήμα του ηλεκτρικού πεδίου ενός ηλεκτρονίου είναι απόλυτα σφαιρικό και συμμετρικό, σε αντίθεση με πρόσφατες θεωρίες που προβλέπουν ότι τα ηλεκτρονικά πεδία είναι ασύμμετρα στο κβαντικό ζυγαριές.
Το νέο εύρημα αποτελεί περαιτέρω επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου (SM) της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο προβλέπει ότι τα στοιχειώδη σωματίδια του σύμπαντος είναι απόλυτα συμμετρικά σε σχήμα και ηλεκτρικό φορτίο.
Το πείραμα θέτει ένα ανώτερο όριο στο ηλεκτρόνιο δίπολο ροπή στο 1,1×10−29 e· cm, σχεδόν μια πλήρη τάξη μεγέθους πιο ακριβής από τα προηγούμενα πειράματα. Με άλλα λόγια, σύμφωνα με τις πιο ακριβείς μετρήσεις που έχουμε λάβει ποτέ για το ηλεκτρόνιο, εξακολουθεί να φαίνεται να είναι απόλυτα σφαιρικό. Εκτός από το ότι είναι ένα θαυμάσιο τεχνικό επίτευγμα στη φυσική των σωματιδίων, τα ευρήματα επιβεβαιώνουν ότι το ηλεκτρόνιο εξακολουθεί από όσο γνωρίζουμε να ακολουθεί τις προβλέψεις του SM και θέτει κάποιες αμφιβολίες για θεωρίες που υπερβαίνουν το SM που προβλέπουν ασυμμετρίες στο σχήμα στο ένα φορτίο ηλεκτρονίου στο 10−29 e· επίπεδο cm.
Τυπικό μοντέλο, συμμετρίες και διπολικές ροπές ηλεκτρονίων
Το Καθιερωμένο Μοντέλο (SM) της σωματιδιακής φυσικής είναι ένα κορυφαίο επίτευγμα της σύγχρονης επιστήμης. Ίσως η πιο επιβεβαιωμένη επιστημονική θεωρία στην ιστορία, η SM αντιπροσωπεύει την καλύτερη προσπάθεια της σύγχρονης επιστήμης να κατανοήσει την ταξινόμηση και τη συμπεριφορά των θεμελιωδών συστατικών του σύμπαντος. σωματίδια όπως τα κουάρκ, τα νετρίνα και το περίφημο μποζόνιο Higgs.
Παρά αυτές τις διακρίσεις, το SM είναι γνωστό ότι είναι ένα ημιτελές μοντέλο. Ένα από τα κύρια μειονεκτήματά του είναι ότι δεν παρέχει περιγραφή της θεμελιώδους δύναμης της βαρύτητας και του τρόπου με τον οποίο η βαρύτητα ασκεί την επιρροή της στα κβαντικά σωματίδια. Οι θεωρίες που επιχειρούν να συνθέσουν τη βαρύτητα και τις άλλες 3 θεμελιώδεις δυνάμεις ονομάζονται θεωρίες κβαντικής βαρύτητας. Ένα άλλο πιεστικό ζήτημα για το οποίο η SM σιωπά είναι γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη παρά αντιύλη στο σύμπαν, που ονομάζεται βαρυογένεση .
Σύμφωνα με τις θεμελιώδεις κοσμολογικές εξισώσεις, ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης θα έπρεπε να είχαν δημιουργηθεί κατά τη Μεγάλη Έκρηξη. Εφόσον η ύλη και η αντιύλη εξαφανίζονται εντελώς μεταξύ τους κατά την επαφή, οι ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης θα έπρεπε να έχουν αντιδράσει μετατρέποντας όλη τη μάζα τους σε ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Φυσικά, αυτό προφανώς δεν συνέβη. Το απλό γεγονός ότι υπάρχουμε είναι απόδειξη ότι η ύλη κέρδισε κατά κάποιο τρόπο στην αρχή του σύμπαντος. Το ερώτημα γιατί η ύλη κυριαρχούσε έναντι της αντιύλης στο πρώιμο σύμπαν είναι ένα από τα μεγάλα άλυτα προβλήματα στη φυσική.
Μερικοί θεωρητικοί έχουν προτείνει πιθανούς ασύμμετρους μηχανισμούς για να εξηγήσουν την αφθονία της ύλης έναντι της αντιύλης. Όλοι αυτοί οι μηχανισμοί μέχρι τώρα είναι κερδοσκοπικοί αλλά εξακολουθούν να λειτουργούν σύμφωνα με γνωστούς νόμους της φυσικής. Όπως αποδεικνύεται, ένας αριθμός από αυτούς τους προτεινόμενους μηχανισμούς θα εκδηλώσουν την ασυμμετρία τους δημιουργώντας μια ασυμμετρία στο σχήμα του ηλεκτρικού πεδίου ενός ηλεκτρονίου, αυτό που είναι γνωστό ως ροπή διπόλου ηλεκτρονίου (EDM). Έτσι, ένα EDM θα είχε ως αποτέλεσμα το κατά τα άλλα σφαιρικό πεδίο του ηλεκτρονίου να εμφανίζεται ελαφρώς στριμωγμένο. Έτσι, ένας τρόπος για να ελέγξετε για οποιαδήποτε υποθετική διαδικασία διακοπής της συμμετρίας θα ήταν να αναζητήσετε εκτροπές του σφαιρικού σχήματος του πεδίου ενός ηλεκτρονίου.
Προκειμένου να διερευνήσει την ύπαρξη ενός EDM, η ομάδα των ερευνητών παρατήρησε την επίδραση ενός ηλεκτρονίου στην ενεργειακή δομή του μονοξειδίου του θορίου, μια τεχνική που έχει χρησιμοποιηθεί σε πειράματα που εκτείνονται από τη δεκαετία του 1950. Η ομάδα εκτόξευσε ένα φασόλι από ψυχρά μόρια οξειδίου του θορίου—1.000.000 ανά παλμό και 50 παλμούς ανά δευτερόλεπτο—σε ένα θάλαμο μεγέθους ενός μέσου γραφείου. Τα ακριβή λέιζερ που εκτοξεύονται στον θάλαμο προσανατολίζουν τα μόρια καθώς κινούνται μεταξύ δύο φορτισμένων γυάλινων πλακών παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Άλλοι αισθητήρες εγκαταστάθηκαν στον θάλαμο για να ανιχνεύουν το φως που εκπέμπεται από τα ηλεκτρόνια. Η συγκεκριμένη εκπομπή φωτός λέει στην ομάδα εάν ο προσανατολισμός των ηλεκτρονίων αλλάζει κατά τη διάρκεια της κίνησης, κάτι που θα ήταν αναμενόμενο εάν η σφαίρα των ηλεκτρονίων είχε ελαφρώς συνθλιβεί.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι σύμφωνα με τις παρατηρήσεις της, το EDM ηλεκτρονίου είναι 0 . Αυτό το αποτέλεσμα σημαίνει ότι όχι Παρατηρήστε οποιαδήποτε σύνθλιψη του ηλεκτρικού πεδίου του ηλεκτρονίου, όπως θα ήταν αναμενόμενο εάν οι θεωρίες που θέτουν ασύμμετρους μηχανισμούς ήταν αληθινές. Έτσι, από όσο γνωρίζουμε, το ηλεκτρόνιο εξακολουθεί να είναι απόλυτα σφαιρικό και το SM εξακολουθεί να είναι σωστό στην περιγραφή των ηλεκτρονίων. Για να είμαστε πιο ακριβείς, η ομάδα έδειξε με επιτυχία ένα άνω όριο του EDM ηλεκτρονίου να είναι στο 1,1×10−29 e· cm, 8 φορές πιο ακριβές από το προηγουμένως καθορισμένο άνω όριο των 8,7×10−29 e· εκ. Αυτό το άνω όριο υπολογίστηκε με βάση πληροφορίες από προηγούμενα πειράματα και γνωστές αβεβαιότητες στην πειραματική ρύθμιση.
Αυτό το αποτέλεσμα είναι κάπως δίκοπο μαχαίρι. Από τη μία πλευρά, το πείραμα δίνει περαιτέρω επιβεβαίωση του SM και αντιπροσωπεύει ένα μνημειώδες τεχνικό επίτευγμα στην πειραματική φυσική. Η ομάδα πέτυχε να παρατηρήσει μεμονωμένα ηλεκτρόνια σε κλίμακα 10-100 TeV, ένα πρωτόγνωρο επίπεδο ακρίβειας για τη σωματιδιακή φυσική που είναι συγκρίσιμο με πειράματα που έγιναν στον επιταχυντή σωματιδίων CERN. Από την άλλη, είναι ακόμα γνωστό ότι το SM είναι ημιτελές και αυτό το συγκεκριμένο πείραμα φαίνεται να αποκλείει πολλά εύλογα μοντέλα που προορίζονται να ολοκληρώσουν το SM. Έτσι, το πείραμα φαίνεται να επιβεβαιώνει ένα μοντέλο που είναι ήδη γνωστό ότι είναι τελικά ανεπαρκές. Οι θεωρητικοί που υποστηρίζουν μοντέλα που υπερβαίνουν το SM πιθανότατα θα πρέπει να αναθεωρήσουν τις θεωρίες τους υπό το φως των δεδομένων ή να προτείνουν κάποια εναλλακτική εξήγηση που θα μπορούσε να εξηγήσει τα δεδομένα. Όποιο κι αν είναι το αποτέλεσμα, η μελέτη σίγουρα δίνει κάποιες απαντήσεις και προτείνει περαιτέρω κατευθύνσεις για έρευνα.
Η συγκεκριμένη μελέτη αντιπροσωπεύει την πιο πρόσφατη παράδοση της αναζήτησης EDM που ξεκίνησε πριν από σχεδόν 70 χρόνια. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για το θέμα και η ομάδα του ACME είναι αισιόδοξη. Πιστεύουν ότι μέσα σε λίγα χρόνια θα πρέπει να είναι σε θέση να αυξήσουν την ακρίβεια και να βελτιώσουν για άλλη μια φορά τη μέτρηση του άνω ορίου των EDM. Ο μόνος τρόπος για να συνεχίσουμε να δοκιμάζουμε το SM είναι δημιουργώντας διαδικασίες που διερευνούν όλο και περισσότερο τη δομή του σύμπαντος.
