Нови експерименти потвърждават, че електроните са абсолютно „кръгли“

Електронът е заредена частица, носеща елементарен, минимално възможен заряд. Но зарядът може да е разпределен неравномерно между полюсите на електрона, правейки го слаб дипол. Такава асиметрия може да помогне с обяснението на загадката на доминирането на материята над антиматерията, затова физиците се опитват да измерят диполния момент на електрона с максимална точност. Нови експерименти довели тази точност до рекордни стойности, но нищо подобно отново не било забелязано: електронът се оказал „кръгъл“. Докладът за работата е публикуван в списание Science.

Учените от IceCube създадоха първата карта на Млечния път, направена от материя, а не от светлина

Теоретично след Големия взрив във Вселената трябва да се е появило еднакво количество материя и антиматерия. Това е ключова нейна черта: ако материята и антиматерията бяха еднакви, те биха се унищожили взаимно и появата на звезди и всичко останало би било невъзможно. Затова физиците се опитват да измерят диполния момент на електрона с максимална точност: всъщност това може да бъде ключът към разкриването на самата възможност за нашето съществуване.

Днес в Космоса явно доминира обичайната материя, а антиматерия практически няма. Този дисбаланс остава една от най-големите загадки на съвременната физика и за неговото обяснение са изложени множество хипотези. Някои от тях изискват асиметрия в структурата на субатомните частици – например неравномерно разпределение на заряда в електрона, което го прави слаб дипол. Но измерванията на електрическия диполен момент на електрона досега не откриваха никаква асиметрия. Това показват и новите експерименти, проведени с рекордна точност.

Ерик Корнел и колегите му от Университета на Колорадо и Националния институт за стандарти и технологии на САЩ са измерили диполния момент на електроните в молекулите на хафниевия флуорид, където те се намират под влиянието на мощно електрическо поле, достигащо 20 милиарда волта на сантиметър. Молекулите били йонизирани и поставени във вакуум, подложени на допълнително въздействие на външно поле, а енергийното състояние на електроните било измерено с помощта на лазер.

Електроните имат отрицателен електрически заряд и учените от JILA се опитали да измерят колко равномерно този заряд се разпределя между северния и южния полюс на електрона. Всяка неравност би показала, че електронът не е идеално кръгъл и това би било доказателство за асиметрия в ранната Вселена, довела до съществуването на материя. Екипът на Корнел е изследвал как се държат електроните в молекулите, докато регулирали магнитното поле около тях, за да търсят някакво изместване. JILA / Steven Burrows

Поведението на електроните при такива условия зависи от техния диполен момент. Авторите на работата сравняват това с яйце, което не може да стои стабилно в единия си край и под въздействието на гравитацията със сигурност ще падне настрани. Същото е и в електрона: ако зарядите в него са разпределени неравномерно, под действието на външно поле те трябва да променят ориентацията си по определен начин. Но точно както сфера лежи стабилно на маса, така и напълно симетричен електрон няма да преминава от едно енергийно ниво на друго в зависимост от посоката на външното поле.

Каква е скоростта на светлината?

Именно втория вариант регистрирали физиците в експериментите, показвайки, че електроните нямат диполен момент. По думите на учените точността на измерването е повече от два пъти по-висока от предишните резултати. „Ако един електрон беше с размерите на Земята, всяка съществуваща асиметрия не би надвишавала радиуса на единичен атом“, добавя Таня Руси, един от авторите на изследването.

Съществуването на диполен момент на електрона може да се опише като продукт на влиянието на виртуални частици, които непрекъснато се появяват и изчезват на неговите граници. Но сега знаем, че ако има диполен момент, той е изчезващо малък и само изключително масивни частици, чиято енергия достига три или четири тераелектронволта, са способни да го създадат. За сравнение: масата на протона е 940 мегаелектронволта, а на електрона – 0,5 мегаелектронволта.

Дори Големият адронен колайдер няма да може да открие частици с такава маса и ако асиметрията на електрона наистина съществува, то ще могат да я установят още по-мощни инструменти от следващи поколения. Освен това повишената точност на новите измервания от практическа гледна точка може да означава, че дори ако електронът има някакъв вид асиметрия, тя е толкова малка, че не може да се обясни с дисбаланса на материята и антиматерията във Вселената. Може би си струва да се засили търсенето на алтернативни обяснения за това изключително важно явление.

ОЩЕ: Рядък разпад на Хигс бозона може да закрие търсенето на нова физика