Vad är formen på en elektron? Om du kommer ihåg bilder från dina gymnasieböcker, svaret verkar ganska tydligt:​​en elektron är en liten kula med negativ laddning som är mindre än en atom. Detta, dock, är ganska långt ifrån sanningen.

Elektronen är allmänt känd som en av huvudkomponenterna i atomer som utgör världen runt oss. Det är elektronerna som omger kärnan i varje atom som avgör hur kemiska reaktioner fortskrider. Deras användningsområden inom industrin är rikliga:från elektronik och svetsning till bildbehandling och avancerade partikelacceleratorer. Nyligen, dock, ett fysikaliskt experiment som kallas Advanced Cold Molecule Electron EDM (ACME) satte en elektron i centrum för vetenskaplig undersökning. Frågan som ACME-samarbetet försökte ta itu med var bedrägligt enkel:Vad är formen på en elektron?

Klassiska och kvantformer?

Så vitt fysiker för närvarande vet, elektroner har ingen inre struktur - och därmed ingen form i den klassiska betydelsen av detta ord. I det moderna språket i partikelfysik, som hanterar beteendet hos föremål som är mindre än en atomkärna, de grundläggande blocken av materia är kontinuerliga vätskeliknande ämnen som kallas "kvantfält" som genomsyrar hela rummet runt omkring oss. På detta språk, en elektron uppfattas som en kvant, eller en partikel, av "elektronfältet". Att veta detta, är det ens vettigt att prata om en elektronform om vi inte kan se den direkt i ett mikroskop - eller någon annan optisk enhet för den delen?

För att besvara denna fråga måste vi anpassa vår definition av form så att den kan användas på otroligt små avstånd, eller med andra ord, inom kvantfysikens område. Att se olika former i vår makroskopiska värld betyder verkligen att upptäcka, med våra ögon, ljusstrålarna studsar av olika föremål runt omkring oss.

Enkelt uttryckt, vi definierar former genom att se hur föremål reagerar när vi lyser på dem. Även om detta kan vara ett konstigt sätt att tänka på formerna, det blir mycket användbart i den subatomära världen av kvantpartiklar. Det ger oss ett sätt att definiera en elektrons egenskaper så att de efterliknar hur vi beskriver former i den klassiska världen.

Vad ersätter begreppet form i mikrovärlden? Eftersom ljus inte är annat än en kombination av oscillerande elektriska och magnetiska fält, det skulle vara användbart att definiera kvantegenskaper hos en elektron som bär information om hur den reagerar på pålagda elektriska och magnetiska fält. Låt oss göra det.

Elektroner i elektriska och magnetiska fält

Som ett exempel, betrakta den enklaste egenskapen hos en elektron:dess elektriska laddning. Den beskriver kraften - och slutligen, den acceleration elektronen skulle uppleva – om den placeras i något yttre elektriskt fält. En liknande reaktion kan förväntas från en negativt laddad kula - därav den "laddade bollen" analogin av en elektron som finns i elementära fysikböcker. Denna egenskap hos en elektron - dess laddning - överlever i kvantvärlden.

Likaså, en annan "överlevande" egenskap hos en elektron kallas det magnetiska dipolmomentet. Den berättar hur en elektron skulle reagera på ett magnetfält. I det här avseendet, en elektron beter sig som en liten stavmagnet, försöker orientera sig i magnetfältets riktning. Även om det är viktigt att komma ihåg att inte ta dessa analogier för långt, de hjälper oss att förstå varför fysiker är intresserade av att mäta dessa kvantegenskaper så exakt som möjligt.

Vilken kvantegenskap beskriver elektronens form? Det finns, faktiskt, flera av dem. Det enklaste - och det mest användbara för fysiker - är det som kallas det elektriska dipolmomentet, eller EDM.

I klassisk fysik, EDM uppstår när det finns en rumslig separering av laddningar. En elektriskt laddad sfär, som inte har någon åtskillnad, har en EDM på noll. Men föreställ dig en hantel vars vikter är motsatt laddade, med ena sidan positiv och den andra negativa. I den makroskopiska världen, denna hantel skulle ha ett icke-noll elektrisk dipolmoment. Om formen på ett objekt återspeglar fördelningen av dess elektriska laddning, det skulle också innebära att föremålets form måste vara annorlunda än sfärisk. Således, naivt, EDM skulle kvantifiera "hanteln" för ett makroskopiskt objekt.

Elektriskt dipolmoment i kvantvärlden

Historien om EDM, dock, är väldigt annorlunda i kvantvärlden. Där är vakuumet runt en elektron inte tomt och stilla. Den befolkas snarare av olika subatomära partiklar som zappar in i virtuell existens under korta perioder.

Dessa virtuella partiklar bildar ett "moln" runt en elektron. Om vi ​​lyser på elektronen, en del av ljuset kan studsa bort de virtuella partiklarna i molnet istället för själva elektronen.

Detta skulle ändra de numeriska värdena för elektronens laddning och magnetiska och elektriska dipolmoment. Att utföra mycket exakta mätningar av dessa kvantegenskaper skulle berätta hur dessa svårfångade virtuella partiklar beter sig när de interagerar med elektronen och om de förändrar elektronens EDM.

Mest spännande, bland de virtuella partiklarna kan det finnas nya, okända arter av partiklar som vi ännu inte har stött på. För att se deras effekt på elektronens elektriska dipolmoment, vi måste jämföra resultatet av mätningen med teoretiska förutsägelser om storleken på EDM beräknad i den för närvarande accepterade teorin om universum, standardmodellen.

Än så länge, Standardmodellen beskriver noggrant alla laboratoriemätningar som någonsin har utförts. Än, det är oförmöget att ta itu med många av de mest grundläggande frågorna, som varför materia dominerar över antimateria i hela universum. Standardmodellen gör en förutsägelse för elektronens EDM också:den kräver att den är så liten att ACME inte skulle ha haft någon chans att mäta den. Men vad hade hänt om ACME faktiskt upptäckte ett värde som inte är noll för elektronens elektriska dipolmoment?

Lappning av hålen i standardmodellen

Teoretiska modeller har föreslagits som åtgärdar brister i standardmodellen, förutsäga förekomsten av nya tunga partiklar. Dessa modeller kan fylla i luckorna i vår förståelse av universum. För att verifiera sådana modeller måste vi bevisa förekomsten av de nya tunga partiklarna. Detta skulle kunna göras genom stora experiment, såsom de vid den internationella Large Hadron Collider (LHC) genom att direkt producera nya partiklar i högenergikollisioner.

Alternativt, vi kunde se hur de nya partiklarna förändrar laddningsfördelningen i "molnet" och deras effekt på elektronens EDM. Således, otvetydig observation av elektronens dipolmoment i ACME -experiment skulle bevisa att nya partiklar faktiskt är närvarande. Det var målet med ACME -experimentet.

Detta är anledningen till att en ny artikel i Nature om elektronen fångade min uppmärksamhet. Teoretiker som jag använder resultaten av mätningarna av elektronens EDM - tillsammans med andra mätningar av egenskaper hos andra elementära partiklar - för att hjälpa till att identifiera de nya partiklarna och göra förutsägelser om hur de kan studeras bättre. Detta görs för att klargöra vilken roll sådana partiklar har i vår nuvarande förståelse av universum.

Vad ska man göra för att mäta det elektriska dipolmomentet? Vi måste hitta en källa till mycket starkt elektriskt fält för att testa en elektronreaktion. En möjlig källa till sådana fält finns i molekyler som toriummonoxid. Detta är molekylen som ACME använde i sitt experiment. Lyser noggrant inställda lasrar mot dessa molekyler, en avläsning av en elektrons elektriska dipolmoment kunde erhållas, förutsatt att den inte är för liten.

Dock, som det blev, det är. Fysiker i ACME -samarbetet observerade inte det elektriska dipolmomentet hos en elektron - vilket tyder på att dess värde är för litet för deras experimentella apparat att upptäcka. Detta faktum har viktiga konsekvenser för vår förståelse av vad vi kan förvänta oss av Large Hadron Collider -experimenten i framtiden.

Intressant, det faktum att ACME -samarbetet inte observerade en EDM utesluter faktiskt förekomsten av tunga nya partiklar som kunde ha varit lättast att upptäcka vid LHC. Detta är ett anmärkningsvärt resultat för ett experiment i bordsskiva som påverkar både hur vi skulle planera direktsökningar efter nya partiklar på jätten Large Hadron Collider, och hur vi konstruerar teorier som beskriver naturen. Det är ganska fantastiskt att studera något så litet som en elektron kan berätta mycket om universum.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.