一項新研究揭示了電子不對稱性和物質存在的奧秘
JILA物理學家對一個關鍵的電子屬性進行了破紀錄的測量。在我們宇宙的最初時刻,無數的質子、中子和電子與它們的反物質對應物一起形成。隨著宇宙的膨脹和冷卻,幾乎所有這些物質和反物質粒子都相遇並相互湮滅,只留下光子,或光的閃爍。
如果宇宙是完全對稱的,物質和反物質的數量相等,故事的結局是我們將永遠不會存在。但是一定有一個不平衡–一些剩餘的質子、中子和電子–形成了原子、分子、恆星、行星、星系,並最終形成了人。
電子是由負電荷組成的,JILA的科學家們一直試圖測量這種電荷在電子的南北兩極之間的分佈是否均勻。任何不均勻都表明電子不是完美的圓形,而這將是早期宇宙中導致物質存在的不對稱的證據。JILA的康奈爾小組研究了分子中的電子在調整其周圍的磁場時的表現,以尋找電子的任何位移
“如果宇宙是完全對稱的,那麼除了光以外就什麼都沒有了。這是歷史上一個極為重要的時刻。突然間,宇宙中出現了一些東西,而問題是,為什麼?”NIST/JILA研究員Eric Cornell說。”為什麼我們會有這種不對稱性?”
解釋我們宇宙的數學理論和方程式要求對稱性。粒子理論家已經改進了這些理論,以解決不對稱性的存在。但如果沒有證據,這些理論只是數學,康奈爾解釋說,所以包括他在JILA的小組在內的實驗物理學家一直在尋找基本粒子,如電子的不對稱跡象。
現在,JILA小組對電子進行了破紀錄的測量,縮小了對這種不對稱性來源的搜索範圍。其研究結果已發表在《科學》上。JILA由美國國家標準與技術研究所(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校共同運營。
尋找不對稱性證據的一個地方是電子的電偶極矩(eEDM)。電子是由負電荷組成的,而eEDM表明該電荷在電子的南北兩極之間分佈的均勻程度。任何高於零的eEDM測量值都將證實存在不對稱性;電子將更像蛋形而不是圓形。但是沒有人知道這種偏差可能有多小。
“我們需要修正我們的數學,使之更接近現實,”康奈爾在JILA的研究小組的一名研究生譚雅·魯西說。”我們正在尋找這種不對稱性可能存在的地方,這樣我們就可以了解它來自哪裡。電子是基本粒子,它們的對稱性告訴我們關於宇宙的對稱性。”
康奈爾、魯西和他們在NIST和JILA的團隊最近創造了精確測量eEDM的記錄,比以前的測量結果提高了2.4倍。這有多精確呢?魯西解釋說,如果一個電子有地球那麼大,他們的研究發現,任何存在的不對稱性都會小於原子的半徑。
她補充說,進行如此精確的測量是非常困難的,所以該小組需要聰明一點。研究人員研究了氟化鉿的分子。如果他們在分子上施加一個強電場,非圓形的電子就會想與電場對齊,在分子內移動。如果它們是圓的,那麼電子就不會移動。
使用紫外激光,他們將電子從分子上剝離,形成一組帶正電的離子,並將它們困住。交替使用誘捕器周圍的電磁場,分子被迫與電磁場對齊或不對齊。然後,研究人員使用激光來測量兩組的能量水平。如果它們之間的能級不同,這將表明電子是不對稱的。
他們的實驗允許他們比過去的嘗試有更長的測量時間,這給了他們更大的敏感性。然而,該小組的測量結果顯示,電子沒有移動能級,表明就我們目前所能測量到的情況而言,電子是圓形的。
康奈爾指出,不能保證任何人都能找到eEDM的非零測量值,但是這種來自桌面實驗的精確程度是一項成就。它表明,昂貴的粒子加速器並不是探索關於宇宙的這些基本問題的唯一手段,有很多途徑可以嘗試。雖然該小組沒有發現不對稱性,但其結果將有助於該領域繼續尋找早期宇宙不對稱性的答案。
“我們發現到我們的測量為止,電子是對稱的。如果我們會發現非零,這將是一個大問題,”魯西補充說。”最好的賭注是讓世界各地的科學家團隊來研究不同的選項。只要我們都不斷地測量真相,最終,有人會發現它。”