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看似简单却很深刻的问题:电子,是什么形状?

2022-11-25 21:21:13 173

摘要:在粒子物理学中,有一个非常成功的理论被称为标准模型,它精确地描述了迄今为止实验中进行的所有粒子物理的测量。但是,它却还无法回答许多来自宇宙观测的问题,比如暗物质的本质,以及为什么宇宙的物质要远多于反物质。因此,物理学家发展了许多包含了超越标...

在粒子物理学中,有一个非常成功的理论被称为标准模型,它精确地描述了迄今为止实验中进行的所有粒子物理的测量。但是,它却还无法回答许多来自宇宙观测的问题,比如暗物质的本质,以及为什么宇宙的物质要远多于反物质。因此,物理学家发展了许多包含了超越标准模型的粒子和相互作用的新理论来解释这些现象。这些粒子出现在真空中,并与普通的粒子相互作用并改变其性质。

例如,如果宇宙中存在着一些超大质量的粒子,那么它们的相互作用会违反时间反演对称性(这解释了宇宙中物质-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(高级冷分子电子电偶极矩,Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment)合作项目发表了他们寻找电子的永久电偶极矩的最新结果:并未观察到超出实验精度的电偶极矩,也就是说,电子仍然非常的“圆”。这是很重要的实验结果,因为它表明了,那些超越标准模型的理论所预测的新粒子的质量应该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(艺术描绘)。| 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”的时候就会发现,构成物质的粒子包含了电子。电子非常有意思,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,电子通常被描绘成围绕原子核运行的小粒子,就像围绕恒星运行的行星一样。然而,作为量子物体,电子不是粒子,电子并不是围绕着原子核以确定轨道运行,而是像一团模糊的量子云围绕着原子核运动。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。

更重要的是,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。

正如物理学家在谈论电子自旋时经常强调的那样,电子并不是一个微小的、带电荷的球体。事实上,据我们所知,“裸”电子是没有特征的点——如果切断一个电子与宇宙其余部分的所有相互作用,那么,电子就会变得无限小而毫无趣味。

幸好,电子和宇宙的其余部分确实存在相互作用,这也使得我们能够测量电子的性质。然而,由于宇宙是量子的,这些相互作用意味着我们永远也看不到“裸”电子,相反,我们看到的是“裸”电子与宇宙其余部分相互作用的某种结合。这些相互作用会改变电子的能量,我们可以利用电子吸收或发射的光子来非常精确地确定电子的能量。然后,我们可以观察,在其他中,电子的能量是如何变化的。

相互作用中的电子

最重要的相互作用,是电子电荷和外加电场(比如附近另一个带电粒子)之间的相互作用。这会产生一个非常大的能量移动,使电子“想”接近正电荷而远离负电荷。这种”电单极“相互作用绝对会使任何其他相互作用相形见绌。

其次重要的是外加磁场和电子的固有自旋之间的”磁偶极“相互作用。这会产生一个微小的移动,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作用,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,使用光谱测量就会发现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典型电子状态能量的百万分之一,但对原子物理学家来说,测量这个水平的能量差异是很平常的事。

ACME项目正在寻找的是“电偶极”相互作用,这种相互作用混合了之前两种相互作用的特性。一方面,像电单极相互作用一样,它是由外加电场引起的能量移动,另一方面,像磁偶极相互作用一样,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。

与电单极相互作用的能量相比,电偶极相互作用的能量绝对是微不足道的。但是,如果使用电单极相互作用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作用引起的能量移动。

电偶极相互作用的强度是通过“电偶极矩”测量的,在经典电磁学中,我们会计算宏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,也就是说,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“不均匀”分布都会产生一个非零的电偶极矩,这就是为什么人们用“电子形状”来描述此次实验:球体上一个极的微小“凸起”,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,就可以计算需要多大的“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作用

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其余部分的相互作用。这些相互作用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。

量子物理学告诉我们,永远不可能存在绝对虚空,在周围永远存在零点能量的涨落,电子会和这些零点涨落的场相互作用。根据费曼描述的图像,相互作用是以周围电子的“虚粒子”云的形式出现的,这些虚粒子云传导着电子和施加的场的相互作用。


○ 电子和电磁场相互作用的费曼图。| 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寻找奇异物理学的方法。电子和虚粒子之间的相互作用会导致电子能量的移动,按照量子物理学的本质——“不被禁止的一切都是必须的“,这些虚粒子包括一切,(原则上)甚至包括奶酪做的兔子。

计算和虚粒子的相互作用要包括一切,这似乎太过疯狂,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,他们毋需计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,当实验人员测量到电子能量的移动时,他们可以反向计算,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,人们没有观察到这种能量移动。实验人员向冷的一氧化钍(ThO)分子施加各种各样的电磁场,然后寻找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,就应当能够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距离,实验人员就可以分辨出来。然而,他们并没有观察到超出实验测量的不确定性的能量移动,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(图中最简单的费曼图类型),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。

如果允许“单回路”费曼图的贡献为零(这在理论上不难实现,但不够优雅),而只考虑“双回路”费曼图,这些假想粒子的质量下限会降低到大约3 TeV,这仍然相当大。

显然,对于可能的理论来说,这是相当严格的限制。如今,电子的电偶极矩被确定为10-29e-cm的量级,对于理论物理学家来说,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

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