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電子是完美的圓球嗎?一個驗證標準模型和挑戰新物理的窗口

發布時間:2025-10-27閱讀(4)

電子是我們已知的最基本的粒子之一,它沒有內部結構,只有質量、電荷、自旋等性質。電子的形狀是如何的呢?我們可以用一個物理量來描述,那就是電偶極矩(EDM)

電偶極矩是一個矢量,它表示了一個帶電物體內部電荷分布的不對稱程度。如果一個物體是完全對稱的球形,那么它的電偶極矩就是零;如果一個物體是像雞蛋一樣的橢球形,那么它的電偶極矩就不為零,而且指向雞蛋的長軸方向。

那么,電子的電偶極矩是多少呢?根據我們目前最成功的物理理論——標準模型,電子的電偶極矩非常非常小,大約是10^-38 cm,這比原子核還要小得多。這意味著電子幾乎是完美的圓形,沒有任何形變。

但是,標準模型并不是完美的,它不能解釋一些重要的現象,比如暗物質、暗能量、重力等。因此,物理學家們一直在尋找標準模型之外的新物理,也就是一些能夠修正或者取代標準模型的新理論。解決這些難題的一種可能方法是引入超越標準模型的新粒子,其中一些假想的粒子可能會與電子相互作用,扭曲電子的電荷分布,使其略微不對稱。

這將為電子創造一個微小的電偶極矩,有些新物理理論甚至預言了電子的電偶極矩會比標準模型預測的要大得多,甚至達到 10^-27 cm 的量級。這就給了我們一個探測新物理的窗口:如果我們能夠測量出電子的電偶極矩,那么就證明了標準模型不完備,存在著新粒子或者新相互作用。

那么,我們如何測量電子的電偶極矩呢?哈佛大學主導的ACME項目利用一種特殊的分子——氧化釷,來測量電子的電偶極矩。氧化釷分子具有很強的極性,它的內部電場可以達到84吉伏/厘米,是實驗室可制備電場的數百萬倍。氧化釷分子還有一個特殊的能級結構,叫做奇偶能級對(parity doublet),它可以用來消除外部磁場的干擾。他們用緩沖氣體冷卻的方法,制備出了低溫慢速高流量的氧化釷分子束,然后用激光激發和探測分子中電子的進動角,從而間接地測量出電子的電偶極矩。

這個實驗非常精密,他們得到了一個令人驚訝的結果:電子的電偶極矩小于 1.1×10^-29 cm,這意味著電子是非常接近圓形的。如果把電子放大到太陽系的尺寸,其各向半徑之間的差別也不超過一根發絲。

這個結果對物理學有什么意義呢?首先,它給標準模型提供了一個強有力的支持,因為標準模型預言了電子的電偶極矩非常小,與實驗結果相符。其次,它給超對稱理論等一些試圖超越標準模型的理論帶來了巨大的挑戰,因為這些理論通常預言了電子的電偶極矩會比標準模型預測的要大得多,甚至達到 10^-27 cm 的量級。這些理論要么需要被修正或者放棄,要么需要找到其他的實驗證據來支持。

然而,這并不意味著新的物理學是不可能的或沒有希望的。仍有許多模型預測的電偶極矩值更小,與這一結果兼容。

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