David vs.Goliath:Hvad en lille elektron kan fortælle os om universets struktur

Hvad er formen på en elektron? Hvis du husker billeder fra dine videnskabsbøger fra gymnasiet, svaret virker ganske klart:en elektron er en lille kugle med negativ ladning, der er mindre end et atom. Det her, imidlertid, er ret langt fra sandheden.

Elektronen er almindeligt kendt som en af ​​hovedkomponenterne i atomer, der udgør verden omkring os. Det er elektronerne, der omgiver kernen i hvert atom, der bestemmer, hvordan kemiske reaktioner forløber. Deres anvendelser i industrien er rigelige:fra elektronik og svejsning til billeddannelse og avancerede partikelacceleratorer. For nylig, imidlertid, et fysikeksperiment kaldet Advanced Cold Molecule Electron EDM (ACME) satte en elektron i centrum for videnskabelig undersøgelse. Spørgsmålet, som ACME -samarbejdet forsøgte at løse, var vildledende enkelt:Hvad er formen på en elektron?

Klassiske og kvante former?

Så vidt fysikere ved i øjeblikket, elektroner har ingen indre struktur - og dermed ingen form i den klassiske betydning af dette ord. I det moderne sprog i partikelfysik, som tackler adfærd for objekter, der er mindre end en atomkerne, de grundlæggende blokke af stof er kontinuerlige væskelignende stoffer kendt som "kvantefelter", der gennemsyrer hele rummet omkring os. På dette sprog, en elektron opfattes som en kvante, eller en partikel, af "elektronfeltet". Ved dette, giver det overhovedet mening at tale om en elektrons form, hvis vi ikke kan se den direkte i et mikroskop - eller en anden optisk enhed for den sags skyld?

For at besvare dette spørgsmål må vi tilpasse vores definition af form, så den kan bruges på utroligt små afstande, eller med andre ord, inden for kvantefysikkens område. At se forskellige former i vores makroskopiske verden betyder virkelig at opdage, med vores øjne, lysstrålerne, der hopper af forskellige objekter omkring os.

Kort fortalt, vi definerer former ved at se, hvordan objekter reagerer, når vi skinner lys over dem. Selvom dette måske er en underlig måde at tænke på formerne på, det bliver meget nyttigt i den subatomære verden af ​​kvantepartikler. Det giver os en måde at definere en elektrones egenskaber på, så de efterligner, hvordan vi beskriver former i den klassiske verden.

Hvad erstatter begrebet form i mikroverdenen? Da lys ikke er andet end en kombination af oscillerende elektriske og magnetiske felter, det ville være nyttigt at definere kvanteegenskaber for en elektron, der indeholder oplysninger om, hvordan den reagerer på anvendte elektriske og magnetiske felter. Lad os gøre det.

Elektroner i elektriske og magnetiske felter

Som et eksempel, overvej den enkleste egenskab ved en elektron:dens elektriske ladning. Det beskriver kraften - og i sidste ende accelerationen elektronen ville opleve - hvis den blev placeret i et eksternt elektrisk felt. En lignende reaktion ville forventes fra en negativt ladet marmor - derfor den "ladede kugle" analogi af en elektron, der er i elementære fysikbøger. Denne elektrons egenskab - dens ladning - overlever i kvanteverdenen.

Ligeledes, en anden "overlevende" egenskab ved en elektron kaldes det magnetiske dipolmoment. Det fortæller os, hvordan en elektron ville reagere på et magnetfelt. I denne henseende, en elektron opfører sig ligesom en lille stangmagnet, forsøger at orientere sig i retning af magnetfeltet. Selvom det er vigtigt at huske på ikke at tage disse analogier for langt, de hjælper os med at se, hvorfor fysikere er interesserede i at måle disse kvanteegenskaber så præcist som muligt.

Hvilken kvanteegenskab beskriver elektronens form? Der er, faktisk, flere af dem. Den enkleste - og den mest nyttige for fysikere - er den, der kaldes det elektriske dipolmoment, eller EDM.

I klassisk fysik, EDM opstår, når der er en rumlig adskillelse af ladninger. En elektrisk ladet kugle, som ikke har nogen adskillelse af afgifter, har en EDM på nul. Men forestil dig en håndvægt, hvis vægte er modsat ladet, med den ene side positiv og den anden negativ. I den makroskopiske verden, denne håndvægt ville have et elektrisk dipolmoment uden nul. Hvis formen på et objekt afspejler fordelingen af ​​dets elektriske ladning, det ville også betyde, at objektets form skulle være anderledes end sfærisk. Dermed, naivt, EDM ville kvantificere "håndvægt" af et makroskopisk objekt.

Elektrisk dipolmoment i kvanteverdenen

Historien om EDM, imidlertid, er meget forskellig i kvanteverdenen. Der er vakuumet omkring en elektron ikke tomt og stille. Den er snarere befolket af forskellige subatomære partikler, der zapper ind i den virtuelle eksistens i korte perioder.

Disse virtuelle partikler danner en "sky" omkring en elektron. Hvis vi skinner lys over elektronen, noget af lyset kunne hoppe af de virtuelle partikler i skyen i stedet for selve elektronen.

Dette ville ændre de numeriske værdier for elektronens ladning og magnetiske og elektriske dipolmomenter. Udførelse af meget nøjagtige målinger af disse kvanteegenskaber ville fortælle os, hvordan disse undvigende virtuelle partikler opfører sig, når de interagerer med elektronen, og hvis de ændrer elektronens EDM.

Mest spændende, blandt de virtuelle partikler kunne der være nye, ukendte arter af partikler, som vi endnu ikke er stødt på. For at se deres effekt på elektronens elektriske dipolmoment, vi er nødt til at sammenligne resultatet af målingen med teoretiske forudsigelser af størrelsen af ​​EDM beregnet i den aktuelt accepterede teori om universet, standardmodellen.

Indtil nu, Standardmodellen beskrev præcist alle laboratoriemålinger, der nogensinde er blevet udført. Endnu, det er ude af stand til at besvare mange af de mest grundlæggende spørgsmål, såsom hvorfor materie dominerer over antimateriale i hele universet. Standardmodellen giver også en forudsigelse for elektronens EDM:den kræver, at den er så lille, at ACME ikke havde haft en chance for at måle den. Men hvad ville der være sket, hvis ACME faktisk opdagede en værdi uden nul for elektronens elektriske dipolmoment?

Patching af hullerne i standardmodellen

Der er foreslået teoretiske modeller, der løser mangler ved standardmodellen, forudsiger eksistensen af ​​nye tunge partikler. Disse modeller kan udfylde hullerne i vores forståelse af universet. For at verificere sådanne modeller skal vi bevise eksistensen af ​​de nye tunge partikler. Dette kunne gøres gennem store forsøg, såsom dem ved den internationale Large Hadron Collider (LHC) ved direkte at producere nye partikler i kollisioner med høj energi.

Alternativt kan vi kunne se, hvordan de nye partikler ændrer ladningsfordelingen i "skyen" og deres virkning på elektronens EDM. Dermed, entydig observation af elektronens dipolmoment i ACME -eksperiment ville bevise, at nye partikler faktisk er til stede. Det var målet med ACME -eksperimentet.

Dette er grunden til, at en nylig artikel i Nature om elektronen fangede min opmærksomhed. Teoretikere som jeg bruger resultaterne af målingerne af elektronens EDM - sammen med andre målinger af egenskaber ved andre elementære partikler - til at hjælpe med at identificere de nye partikler og forudsige, hvordan de bedre kan studeres. Dette gøres for at tydeliggøre sådanne partiklers rolle i vores nuværende forståelse af universet.

Hvad skal der gøres for at måle det elektriske dipolmoment? Vi skal finde en kilde til meget stærkt elektrisk felt for at teste en elektronreaktion. En mulig kilde til sådanne felter kan findes inde i molekyler, såsom thoriummonoxid. Dette er det molekyle, som ACME brugte i deres eksperiment. Lysende omhyggeligt afstemte lasere ved disse molekyler, en aflæsning af en elektrons elektriske dipolmoment kunne opnås, forudsat at den ikke er for lille.

Imidlertid, som det viste sig, det er. Fysikere i ACME -samarbejdet observerede ikke det elektriske dipolmoment for en elektron - hvilket tyder på, at dets værdi er for lille til, at deres eksperimentelle apparat kan detektere. Denne kendsgerning har vigtige konsekvenser for vores forståelse af, hvad vi kunne forvente af Large Hadron Collider -eksperimenterne i fremtiden.

Interessant nok, det faktum, at ACME -samarbejdet ikke overholdt en EDM, udelukker faktisk eksistensen af ​​tunge nye partikler, der kunne have været lettest at opdage ved LHC. Dette er et bemærkelsesværdigt resultat for et eksperiment i bordplade, der påvirker både, hvordan vi ville planlægge direkte søgninger efter nye partikler hos den kæmpe Large Hadron Collider, og hvordan vi konstruerer teorier, der beskriver naturen. Det er ganske fantastisk, at studere noget så lille som en elektron kunne fortælle os meget om universet.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.