例如,如果宇宙中存在着一些超大质量的粒子,那么它们的相互浸染会违反韶光反演对称性(这阐明了宇宙中物质-反物质的不对称性),就可以产生沿电子自旋轴的电偶极矩。在一项最新的研究中,ACME(高等冷分子电子电偶极矩,Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment)互助项目揭橥了他们探求电子的永久电偶极矩的最新结果:并未不雅观察到超出实验精度的电偶极矩,也便是说,电子仍旧非常的“圆”。这是很主要的实验结果,由于它表明了,那些超越标准模型的理论所预测的新粒子的质量该当大于大型强子对撞机(LHC)所能直接探测到的质量。
○ ACME实验中的电子(艺术描述)。| 图片来源:NICOLE R. FULLER, NSF
电子是什么?
物质是由什么构成的?当我们进行层层“解剖”的时候就会创造,构成物质的粒子包含了电子。电子非常故意思,它们可以在导电材料中流动而产生电流,同时它们也具有非常奇怪的量子行为——有时像粒子,有时像波。
但是,电子本身是什么样子呢?在我们的想象中,电子常日被描述成环绕原子核运行的小粒子,就像环绕恒星运行的行星一样。然而,作为量子物体,电子不是粒子,电子并不是环绕着原子核以确定轨道运行,而是像一团模糊的量子云环绕着原子核运动。在一些实验中,电子会表现出粒子般的行为,但它们并不是坚硬的固体,如我们想象中的粒子那样。
更主要的是,电子是基本粒子。原子的原子核是由中子和质子组成的,质子又是由夸克组成的,电子却只是电子,它不是由更小的粒子组成的。此外,电子还具有一种被称为自旋的属性。自旋类似于旋转物体的角动量,不同的是,自旋是电子的固有属性。
正如物理学家在评论辩论电子自旋时常常强调的那样,电子并不是一个眇小的、带电荷的球体。事实上,据我们所知,“裸”电子是没有特色的点——如果割断一个电子与宇宙别的部分的所有相互浸染,那么,电子就会变得无限小而毫无意见意义。
幸好,电子和宇宙的别的部分确实存在相互浸染,这也使得我们能够丈量电子的性子。然而,由于宇宙是量子的,这些相互浸染意味着我们永久也看不到“裸”电子,相反,我们看到的是“裸”电子与宇宙别的部分相互浸染的某种结合。这些相互浸染会改变电子的能量,我们可以利用电子接管或发射的光子来非常精确地确定电子的能量。然后,我们可以不雅观察,在其他场中,电子的能量是如何变革的。
相互浸染中的电子
最主要的相互浸染,是电子电荷和外加电场(比如附近另一个带电粒子)之间的相互浸染。这会产生一个非常大的能量移动,使电子“想”靠近正电荷而阔别负电荷。这种”电单极“相互浸染绝对会使任何其他相互浸染相形见绌。
其次主要的是外加磁场和电子的固有自旋之间的”磁偶极“相互浸染。这会产生一个眇小的移动,但仍可以看到这种不对称的影响:一个方向的磁场使电子的能量增加很小的量,而一个方向相反的磁场使之减少同样的量。
如果将电子禁锢在一个位置,电子的能量大多来源于与禁锢物体的电单极相互浸染,无论禁锢物体是什么;然而,如果将磁场在两个方向之间来回切换,利用光谱丈量就会创造两个状态之间的细微差别。这种差别大约是原子或分子中一个范例电子状态能量的百万分之一,但对原子物理学家来说,丈量这个水平的能量差异是很平常的事。
ACME项目正在探求的是“电偶极”相互浸染,这种相互浸染稠浊了之前两种相互浸染的特性。一方面,像电单极相互浸染一样,它是由外加电场引起的能量移动,另一方面,像磁偶极相互浸染一样,它取决于外加电场的方向,一个方向的电场让能级向上移动,另一个方向的电场让能级向下移动。
与电单极相互浸染的能量比较,电偶极相互浸染的能量绝对是微不足道的。但是,如果利用电单极相互浸染将一个电子固定于原子或分子,使电子不能沿着电场的方向轻易移动,然后,当改变电场的方向时,就可能看到电偶极相互浸染引起的能量移动。
电偶极相互浸染的强度是通过“电偶极矩”丈量的,在经典电磁学中,我们司帐算宏不雅观电荷分布的电偶极矩。一个完美的带电球体的电偶极矩会是零,也便是说,无论在哪个方向施加电场,都会得到相同的总能量。
电荷的任何“不屈均”分布都会产生一个非零的电偶极矩,这便是为什么人们用“电子形状”来描述这次实验:球体上一个极的眇小“突出”,和另一个极的相应的“凹陷”会产生电偶极矩,然后,利用电荷和半径,就可以打算须要多大的“凹凸”才能产生一个特定大小的电偶极矩。
电子和虚粒子的相互浸染
正如前文提到的,我们从未真正见过“裸”电子,只能看到电子与宇宙别的部分的相互浸染。这些相互浸染不仅包括实验过程中施加的电场,还包括不可避免的真空电磁场。
量子物理学见告我们,永久不可能存在绝对虚空,在周围永久存在零点能量的涨落,电子会和这些零点涨落的场相互浸染。根据费曼描述的图像,相互浸染因此周围电子的“虚粒子”云的形式涌现的,这些虚粒子云传导着电子和施加的场的相互浸染。
○ 电子和电磁场相互浸染的费曼图。| 图片来源:CHAD ORZEL
正是这些虚粒子使得精密光谱学成为一种行之有效的探求奇异物理学的方法。电子和虚粒子之间的相互浸染会导致电子能量的移动,按照量子物理学的实质——“不被禁止的统统都是必须的“,这些虚粒子包括统统,(原则上)乃至包括奶酪做的兔子。
打算和虚粒子的相互浸染要包括统统,这彷佛太过猖獗,但是幸好,某种特定类型的虚粒子引起的能量移动的大小,会随着粒子质量的增加,以及所涉及的虚粒子数量的增加而减少。
当理论物理学家试图预测某次实验中一个电子的能量时,他们毋需打算所有可感知到的大量粒子的影响,而只需包括那些质量足够小的粒子,且粒子数量少到足以引起实验中探测到的能量移动的大小即可。或者,事情也可以反过来,当实验职员丈量到电子能量的移动时,他们可以反向打算,确定导致电子能量移动的虚粒子的质量。
ACME的结果
ACME项目的最新结果实际上是,人们没有不雅观察到这种能量移动。实验职员向冷的一氧化钍(ThO)分子施加各种各样的电磁场,然后探求随着施加电场的方向改变的能量移动,如果电子具有电偶极矩,就应该能够不雅观察到这种能量移动。
这个实验的精度非常之高,如果一个电子有地球那么大,那么,只要它偏离完美球形达到一根头发的间隔,实验职员就可以分辨出来。然而,他们并没有不雅观察到超出实验丈量的不愿定性的能量移动,而是将任何可能的电子电偶极矩的大小的严格上限确定为:必须小于0.000000000000000000000000000011 e-cm (一个电子和一个正电子相隔1cm时的偶极矩为1 e-cm)。
电子电偶极矩的严格上限会为任何具有恰当特性的、会产生电偶极矩的假想粒子的质量设定一个严格下限。如果假定偶极矩是由“单回路”费曼图产生的(图中最大略的费曼图类型),那么,这些假想粒子的最小质量大约是30TeV,或者说是大型强子对撞机的最大能量的两倍多一点。
如果许可“单回路”费曼图的贡献为零(这在理论上不难实现,但不足优雅),而只考虑“双回路”费曼图,这些假想粒子的质量下限会降落到大约3 TeV,这仍旧相称大。
显然,对付可能的理论来说,这是相称严格的限定。如今,电子的电偶极矩被确定为10-29e-cm的量级,对付理论物理学家来说,还有一些回旋的余地。但这是另一个强有力的证据,它表明,无论有什么超越标准模型的物理存在,都将会是非常不同的东西。
编译:乌鸦少年
参考链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0599-8
https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2018/10/22/how-does-the-shape-of-an-electron-limit-particle-physics/#5d2b5505651c
https://www.forbes.com/sites/briankoberlein/2018/10/18/acme-experiment-finds-that-electrons-are-really-really-round/#73923a317747
https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=296867