Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойФизикаЭлектронная асимметрия и тайна существования материи: рекордное исследование

Электронная асимметрия и тайна существования материи: рекордное исследование

- Advertisement -

Исследователи провели рекордно точное измерение электрического дипольного момента электрона (eEDM) в поисках асимметрии, которая могла бы объяснить существование материи. Несмотря на улучшенную точность, их результаты показали, что электрон симметричен, без заметной асимметрии. Их исследование, хотя и не дает окончательного ответа, продвигает понимание фундаментальной природы Вселенной и указывает на альтернативы для таких исследований, кроме дорогих ускорителей частиц.

Физики JILA провели рекордное измерение ключевого свойства электрона.

В первые мгновения существования нашей Вселенной бесчисленное количество протонов, нейтронов и электронов сформировалось вместе с их аналогами из антиматерии. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, почти все эти частицы материи и антиматерии встречались и аннигилировали друг друга, оставляя после себя только фотоны или вспышки света.

И если бы Вселенная была идеально симметричной, с равным количеством материи и антиматерии, это был бы конец истории — и нас бы никогда не существовало. Но должен был быть дисбаланс — какие-то оставшиеся протоны, нейтроны и электроны — которые сформировали атомы, молекулы, звезды, планеты, галактики и, в конце концов, людей.

Электрический дипольный момент электрона

Электроны состоят из отрицательного электрического заряда, и ученые JILA пытались измерить, насколько равномерно этот заряд распределяется между северным и южным полюсами электрона. Любая неравномерность указывала бы на то, что электрон не идеально круглый, и это свидетельствовало бы об асимметрии в ранней Вселенной, которая привела к существованию материи. Корнеллская группа в JILA изучала, как ведут себя электроны в молекулах, когда они регулировали магнитное поле вокруг себя, чтобы отслеживать любое смещение электронов. Кредит: JILA/Стивен Берроуз

«Если бы Вселенная была совершенно симметричной, в ней не осталось бы ничего, кроме света. Это чрезвычайно важный момент в истории. Внезапно во вселенной есть что-то, и вопрос в том, почему?» сказал научный сотрудник NIST/JILA Эрик Корнелл. «Почему у нас такая асимметрия?»

Математические теории и уравнения, объясняющие нашу Вселенную, требуют симметрии. Теоретики элементарных частиц усовершенствовали эти теории, чтобы разобраться с наличием асимметрии. Но без доказательств эти теории — просто математика, объясняет Корнелл, поэтому физики-экспериментаторы, включая его группу в JILA, искали признаки асимметрии в фундаментальных частицах, таких как электроны.

Теперь группа JILA провела рекордное измерение электронов, сузив поиск того, откуда взялась эта асимметрия. Его выводы были опубликованы в Наука. JILA совместно управляется Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо в Боулдере.

«Это чрезвычайно важный момент в истории. Внезапно во вселенной есть что-то, и вопрос в том, почему?»
Эрик Корнелл, научный сотрудник NIST/JILA

Одним из мест, где можно искать доказательства асимметрии, является электрический дипольный момент электрона (eEDM). Электроны состоят из отрицательного электрического заряда, и eEDM показывает, насколько равномерно этот заряд распределен между северным и южным полюсами электрона. Любое измерение eEDM выше нуля подтвердит асимметрию; электрон был бы скорее яйцевидным, чем круглым. Но никто не знает, насколько малым может быть это отклонение.

«Нам нужно исправить нашу математику, чтобы быть ближе к реальности», — сказала Таня Русси, аспирант исследовательской группы Корнелла в JILA. «Мы ищем места, где может быть эта асимметрия, чтобы понять, откуда она взялась. Электроны — это фундаментальные частицы, и их симметрия говорит нам о симметрии Вселенной».

Корнелл, Русси и их команда из NIST и JILA недавно установили рекорд точности измерения eEDM, улучшив предыдущие измерения в 2,4 раза.

Насколько это точно? Если бы электрон был размером с Землю, их исследование показало, что любая существующая асимметрия была бы меньше, чем радиус атом— пояснил Русси.

Она добавляет, что провести такое точное измерение невероятно сложно, поэтому группе нужно было проявить смекалку. Исследователи посмотрели на молекулы фторида гафния. Если бы они приложили к молекулам сильное электрическое поле, некруглые электроны захотели бы выровняться с полем, перемещаясь внутри молекулы. Если бы они были круглыми, электроны не сдвинулись бы с места.

С помощью ультрафиолетового лазера они отрывали электроны от молекул, создавая набор положительно заряженных ионов, и ловили их. Изменяя электромагнитное поле вокруг ловушки, молекулы были вынуждены либо выравниваться, либо не выравниваться с полем. Затем исследователи использовали лазеры для измерения энергетических уровней двух групп. Если бы уровни между ними были разными, это означало бы, что электроны асимметричны.

Их эксперимент позволил им проводить измерения дольше, чем в предыдущих попытках, что дало им большую чувствительность. Однако измерения группы показали, что электроны не перемещают энергетические уровни, указывая на то, что, насколько мы можем сейчас измерить, электроны круглые.

Нет никакой гарантии, что кто-либо найдет ненулевое измерение eEDM, отмечает Корнелл, но такой уровень точности в настольном эксперименте является достижением. Это показывает, что дорогие ускорители частиц — не единственные средства для изучения этих фундаментальных вопросов о Вселенной, и что есть много путей, которые можно попробовать. И хотя группа не нашла асимметрию, ее результат поможет исследователям продолжать искать ответы на вопросы об асимметрии ранней Вселенной.

«По нашим измерениям мы обнаружили, что электрон симметричен. Если бы мы нашли ненулевое значение, это было бы большой проблемой», — добавил Русси. «Лучше всего, чтобы команды ученых по всему миру рассматривали разные варианты. Пока мы все продолжаем измерять истину, рано или поздно кто-то ее найдет».

Ссылка: «Улучшенная оценка электрического дипольного момента электрона» Тани С. Русси, Люка Колдуэлла, Тревора Райта, Уильяма Б. Кэрнкросса, Ювала Шагама, Киа Бун Нг, Ноа Шлоссбергера, Сан Юл Парк, Анчжоу Ван, Джун Йе и Эрик А. Корнелл, 6 июля 2023 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adg4084

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме