Как маленький электрон может рассказать о строении Вселенной

Какова форма электрона? Если вы вспомните рисунки из школьных учебников, то ответ будет полностью обычным: электрон — это небольшой шарик с отрицательным зарядом, который меньше атома. Это, но, достаточно далековато от правды.

Электрон обширно известен как один из главных компонент атомов, составляющие мир вокруг нас. Конкретно электроны, окружающие ядро ​​каждого атома, определяют, как протекают хим реакции. Их применение в индустрии обширно всераспространено: от электроники и сварки до формирования изображений и современных ускорителей частиц. Не так давно, но, физический опыт название которому ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment, дослово Усовершенствованный прохладный молекулярный электрон с электронным дипольным моментом) поставил электрон в центр научного исследования. Вопрос, какой пробовала ответить коллаборация ACME, был обманчиво прост: какова форма электрона?

Традиционные и квантовые формы?

Как физики знают — на текущий момент электроны у них нет внутренней структуры, и, как следует, лишены формы в традиционном значении этого слова. На современном языке физики простых частиц, в какой рассматривается поведение объектов, наименьших атомного ядра, базовыми блоками материи являются непрерывные жидкостеподобные вещества, известные как «квантовые поля», которые пронизывают что остается сделать нашему клиенту место вокруг нас. На этом деле языке электрон воспринимается как квант иначе говоря частичка «электронного поля». Зная это, имеет ли смысл гласить о форме электрона, если мы не умеем узреть его конкретно в микроскопе как еще его называют каком-либо другом оптическом устройстве в обычном нам виде?

Обычная школьная модель атома, где электроны показываются кружочками на орбитах вокруг ядра. Как досадно бы это не звучало, на самом деле нашему клиенту остается устроено куда труднее.

Чтоб ответить на } миф вопрос, мы изготавливаются адаптировать наше определение формы, чтоб оно могло употребляться в неописуемо малых масштабах, как еще его называют, говоря проще, в области квантовой физики. Созидать разные объекты в представленном макроскопическом мире — это означает обнаруживать нашими очами лучи света, отражающиеся от этих объектов вокруг нас.

Проще говоря, мы определяем форму объекта, следя, как они реагируют, когда мы светим для них. Хотя это может казаться странноватым методом узнавать о форме объекта, он становится очень полезным в субатомном мире квантовых частиц. Это дает нам метод найти характеристики электрона так, чтоб они имитировали тот принцип, для того мы описываем формы объектов в традиционном макромире.

Что подменяет концепцию формы в микромире? Так как свет — это на самом деле композиция колеблющихся электронных и магнитных полей, имеется полезно найти квантовые характеристики электрона, которые несут информацию что, как он реагирует на все эти поля. Давайте создадим это.

Электроны в электронном и магнитном полях

В роли примера разглядим простейшее свойство электрона: его электронный заряд. Он обрисовывает силу — и, в результате, ускорение, которое испытал бы электрон, если поместить его в какое-либо наружное электронное поле. Это свойство электрона — его заряд — выживает и в квантовом мире.

Аналогично, другое «выживающее» свойство электрона именуется магнитным дипольным моментом. Это гласит нам, как электрон будет реагировать на магнитное поле. Тут электрон ведет себя так же, как крохотный стержневой магнит, пытаясь ориентироваться вдоль направления магнитных полей. Хотя принципиально держать в голове, что не требуется очень углубляться в эти аналогии, они просто помогают нам осознать, почему физики заинтересованы в измерении этих квантовых параметров с очень вероятной точностью.

Какое квантовое свойство обрисовывает форму электрона? Реальные их несколько. Самое обычное — и полезное для физиков — то, которое именуется электронным дипольным моментом, как еще его называют ЭДМ.

В традиционной физике ЭДМ появляется при пространственном разделении зарядов (грубо говоря, это вектор, который соединяет «центр электронной отрицательности» позволяющей вести бухгалтерский учет (софт) с ее «центром электронной положительности»). Электрически заряженная сфера, в какой отсутствует разделение зарядов, имеет ЭДМ, равный нулю. Однако представьте для себя гантель, шарики какой} {занимается обратно заряжены: одна сторона положительно, а другая негативно. В макроскопическом мире эта гантель имеет ненулевой электронный дипольный момент. Если форма объекта отражает рассредотачивание его электронного заряда, это также будет означать, что форма объекта должна отличаться от сферической. Таким макаром, разумеется, ЭДМ помогает найти форму макроскопического объекта.

Электронный дипольный момент в квантовом мире

Но в квантовом мире найти ЭДМ куда труднее. Там место вокруг электрона не пусто и даже не бездвижно. Быстрее, оно населено разными субатомными частичками, которые за период маленьких промежутков времени перебегают в виртуальное существование.

Эти виртуальные частички образуют «облако» вокруг электрона. Если мы направим свет на электрон, часть света может отразиться от виртуальных частиц в облаке, а не от самого электрона.

Это изменит числовые значения заряда электрона, магнитного и электронного дипольного моментов. Выполнение очень четких измерений этих квантовых параметров скажет нам, как с поведением эти неуловимые виртуальные частички, когда они ведут взаимодействие с электроном, и изменяют ли они ЭДМ электрона.

Самое увлекательное, что посреди этих виртуальных частиц будут новые, неведомые нам виды, с которыми мы еще не сталкивались. Чтоб узреть их воздействие на электронный дипольный момент электрона, нам необходимо сопоставить итог измерения с теоретическими пророчествами размера ЭДМ, рассчитанными в согласовании с принятой в текущее время теории Вселенной, Стандартной модели.

Как маленький электрон может рассказать о строении Вселенной

Что остается сделать нашему клиенту простые частички Стандартной модели.

До сего времени Стандартная модель точно обрисовывала нашему клиенту остается лабораторные измерения, которые когда-либо проводились. Все же, она не способен решить наверное из более базовых вопросов — к примеру, почему материя доминирует над антиматерии во всей Вселенной. Стандартная модель также предвещает ЭДМ электрона: она просит, чтоб он был так мал, чтоб опыт ACME не имел способности его измерить. Увы что случилось бы, если б ACME практически нашел ненулевое значение для электронного дипольного момента электрона?

Латаем дыры в Стандартной модели

Были предложены новые теоретические модели, которые исправляют недочеты Стандартной модели, предсказывая существование новых томных частиц. Эти модели быть заполнить пробелы у нас в осознании Вселенной. Чтоб проверить такие модели, нам необходимо обосновать существование этих новых томных частиц. Это выполняют с применением суровых тестов, таких как опыты на международном Большенном адронном коллайдере (БАК), методом конкретного производства новых частиц в столкновениях при больших энергиях.

В роли кандидатуры, мы могут созидать, как эти новые частички изменяют рассредотачивание заряда в «облаке» и их воздействие на ЭДМ электрона. Таким макаром, однозначное наблюдение дипольного момента электрона в опыте ACME обосновало бы, что новые частички хотя находятся. Это была цель опыта ACME.

Что необходимо сделать, чтоб измерить электронный дипольный момент? Нам необходимо отыскать источник очень сильного электронного поля, чтоб проверить реакцию электрона туда. Один из вероятных источников таких полей всегда найдете снутри таких молекул, как монооксид тория. Эта молекула и использовалась в опыте ACME. Светя кропотливо настроенными лазерами на все эти молекулы, читают значения электронного дипольного момента электрона, если он слабо мал.

Но, как оказывается, это так. Физики коллаборации ACME не следили электронный дипольный момент электрона — это гласит что, что его значение очень не много, чтоб их экспериментальный аппарат мог его найти. Данный факт имеет принципиальную значимость для нашего осознания того, что можно ждать от тестов на Большенном адронном коллайдере в дальнейшем.

Любопытно, что тот факт, что коллаборацией ACME не был найден ЭДМ электрона, практически исключает существование новых томных частиц, которые легче всего найти на БАК. Это превосходный итог для «настольного» опыта, оказывающим влияние как на то, как мы планируем прямой поиск новых частиц на огромном Большенном адронном коллайдере, так на то, как мы строим теории, описывающие природу частиц. Умопомрачительно, что исследование чего-то такового малеханького, как электрон, может рассказать массу интересного нам о Вселенной.