科学家们制造了一个新的测量电子的电偶极子,改进以前最好的测量值的2.4倍。他们没有发现显著不对称电子的电荷分布,这可能重要的后果,物理学家试图解开宇宙大爆炸后不久就发生了。
这项研究发表在《华尔街日报》科学,由科学家JILA,联合天体物理研究所从博尔德的科罗拉多大学的国家标准与技术研究院。
除了大爆炸
为什么我们在这里?这是哲学家们争论了几个世纪,但是它也是一个问题还在困扰着物理学家。
宇宙大爆炸,所有物质和反物质的时候突然被创建和争吵的宇宙——应该创造了等量的物质和反物质。这些质子、中子和电子与反物质同行应该相撞,随着宇宙的膨胀,只留下闪光的光子。
反物质是什么?
反物质是一种特殊的物质组成的所谓的反粒子。从理论上讲,每个粒子的物质我们周围应该有一个反物质的同伴,几乎是相同的,但相反的电荷。例如,我们的带负电荷的电子的反物质的同伴是一个带正电荷粒子称为正电子。当一个粒子和反粒子接触,他们彼此湮灭,产生高能光子和中微子。
反物质粒子的存在首先是由保罗·狄拉克预言,早期的英国物理学家,20th世纪。从那时起,研究人员已经成功地使用大型粒子加速器生产和研究反物质粒子。
然而,我们仍在这里。当我们看到我们周围的宇宙,几乎没有反物质。
“如果宇宙是完全对称的,然后会有一无所有但光。这在历史上是一个非常重要的时刻。宇宙中突然有东西,问题是,为什么?”说埃里克·康奈尔NIST / JILA研究员和新研究的资深作者。“为什么我们会有这种不对称?”
为什么任何事存在的一个理论是,可能会有一些不对称躲避我们在电子层次。带电粒子,电子有南北磁极。如果电子完全是圆的,这两极之间的电荷扩散完全均匀,然后科学家会说它有一个电偶极矩(EDM)的零。但任何轻微的偏差,EDM价值高于零,这意味着电子会更加蛋形。这种不对称电子的形状可能是物理学家们一直在寻找答案。
“我们需要解决我们的数学更接近现实,”添加坦尼娅Roussy在康奈尔大学的研究生在JILA的研究小组。“我们正在寻找可能不对称的地方,所以我们可以理解是从哪里来的。电子基本粒子,它们对称告诉我们关于宇宙的对称。”
紫外激光和磁场帮助科学家们“看到”电子的形状
实际上,测量电子的对称或“圆”是非常困难的。但由于他们的新方法,JILA人员能够改进以前的测量值的2.4倍。如果一个电子是地球的大小,他们的新方法能够找到任何不对称一个原子的大小,Roussy解释道。
背后的原理相当巧妙的新方法。如果一个很强的电场是应用在分子和电子是不对称的,然后电子想结合的方向,在分子内部字段和转变。另一方面,如果他们完全圆的,没有更改会被看到。
为这些新测量,研究者轰炸铪氟分子的紫外激光电离。这些离子被困在一个强大的交变电磁场和被迫一致或不一致。使用更多的激光,研究人员能够精确测量的能量水平对齐,对齐离子。如果水平是否有所不同,这将显示一些不对称分子的电子。
“我们发现我们测量电子是对称的。如果我们会发现非零,这将是一个大问题,”Roussy说。在这是什么意思的不对称存在在我们的早期宇宙,Roussy继续说道,“最好的办法是让全世界的科学家团队看不同的选项。只要我们都坚持测量真相,最终就会有人发现它。”
实验证明有用的替代技术
虽然实验可能不会导致任何启示我们理解电子,新的测量技术是一个重要的进步对于粒子物理学家和量子化学家。
首先,这项技术允许研究人员比先前测量的时间也更长,更侧重于敏感性。
同样重要的一点是,一个桌面实验能够实现这一目标的精度水平,这表明昂贵的粒子加速器并不是唯一的手段,探索在基础物理问题。实际上,类似的测量的不确定性测量优于已进行的加速器。
参考:Roussy TS,考德威尔L,赖特T,等。一种改进的束缚电子的电偶极矩。科学。2023,381 (6653):46-50。doi:10.1126 / science.adg4084
这篇文章是一个返工的新闻稿NIST签发。材料已经编辑的长度和内容。
