一個微小的電子，為甚麼可能揭示了宇宙的基礎結構

一個微小的電子揭示了宇宙的結構電子的形狀是什麼 如果你回想起你高中科學書上的圖片 答案似乎很清楚 電子是一個比原子還小的帶負電的小球 然而這離真相相差甚遠 電子通常被認爲是構成我們周圍世界的原子的主要組成部分之一 是每個原子和周圍的電子決定了化學反應的進行 它們在工業中的用途很多 從電子和焊接到成像和先進的粒子加速器 然而最近一個名爲高級冷分子電子EDM的物理實驗 將電子置於科學探究的中心舞臺 ACME合作組試圖解決的問題是一個看似簡單的問題 電子的形狀是什麼 據物理學家目前所知 電子沒有內部結構 因此在這個詞的經典意義上沒有形狀 在現代粒子物理學的語言中 它處理的是比原子和更小的物體的行爲 物質的基本組成部分是連續的類似流體的物質 稱爲量子場 它們充滿了我們周圍的整個空間 在這種語言中 電子被認爲是電子場的一個量子 或者說一個粒子 既然這樣 如果我們不能直接用顯微鏡 或其他任何光學設備看到電子的形狀 那麼談論電子的形狀是否有意義呢 要回答這個問題 我們必須調整我們對形狀的定義 使其可以用於非常小的距離 或者換句話說 在量子物理學的領域 在我們的宏觀世界中看到不同的形狀 其實就是用我們的眼睛檢測到 從我們周圍的不同物體反射出來的光線 簡單地說 我們通過看物體 在我們照射光線時的反應來定義形狀 雖然這可能是一種奇怪的思考形狀的方式 但它在量子粒子的亞原子世界中卻非常有用 它給了我們一種定義電子的性質的方法 使它們能夠模仿我們 在經典世界中描述形狀的方式 由於光只不過是震盪的電磁場的組合 定義電子的量子性質 攜帶關於它如何響應施加的電磁場的信息 是很有用的 讓我們來做一下 電子在電磁場中的反應 這些量子性質 可以類比爲我們在經典世界中看到的形狀 作爲一個例子 考慮電子最簡單的性質 它的電荷 它描述了電子在放置在某個外部電場中時 會受到的力 最終電子會經歷的加速度 一個帶負電的彈珠會有類似的反應 因此 電子是初級物理書中的帶電小球的類比 電子的這個性質 它的電荷 在量子世界中依然存在 同樣 電子的另一個存活的性質 叫做磁偶極矩 它告訴我們 電子如何對磁場作出反應 在這方面 電子就像一個微小的磁棒 試圖沿着磁場的方向排列自己 雖然要記住 不要把這些類比過分推廣 但它們確實幫助我們看到 爲什麼物理學家 對精確測量這些量子性質感興趣 事實上 有幾個 最簡單的 也是對物理學家最有用的 是一個叫做電偶極矩 或EDM的性質 在經典物理學中 電偶極矩產生於電荷的空間分離 一個沒有電荷分離的帶電球體 但是想象一下一個亞靈 它的兩端帶有相反的電荷 一端爲正 一端爲負 在宏觀世界中 這個亞靈會有一個非靈的電偶極矩 如果一個物體的形狀 反映了它的電荷分佈 那麼也意味着 這個物體的形狀必須與球形不同 因此 天真的說 電偶極矩可以量化一個宏觀物體的亞靈性 然而 電偶極矩的故事 在量子世界中卻大不相同 在那裏 電子周圍的真空 並不是空的和靜止的 相反 它是由各種亞原子粒子組成的 它們在短時間內 閃現出虛擬的存在 這些虛擬粒子 形成了一個圍繞電子的雲 如果我們向電子發射光線 一些光線可能會從雲中的虛擬粒子反彈 而不是從電子本身反彈 這會改變電子的電荷和雌偶極矩 和電偶極矩的數值 對這些量子性質 進行非常精確的測量 將告訴我們 這些難以捉摸的虛擬粒子 在與電子相互作用時的行爲 以及它們是否改變了電子的電偶極矩 最有趣的是 在這些虛擬粒子中 可能存在一些我們還沒有遇到的 新的未知的粒子種類 要看到它們對電子的電偶極矩的影響 我們需要將測量結果 與目前被接受的宇宙理論 標準模型 計算出的電偶極矩的大小的理論預測 進行比較 到目前爲止 標準模型準確地描述了 所有曾經進行過的實驗室測量 然而它無法解決許多最基本的問題 例如爲什麼物質在整個宇宙中佔據優勢 標準模型對電子的電偶極矩 也做出了預測 它要求它非常小 以至於ACME根本沒有機會測量它 但是如果ACME實際上 檢測到了電子的電偶極矩的非靈值 會發生什麼呢 科學家們已經提出了一些理論模型 修正了標準模型的缺陷 預測了新的重粒子的存在 這些模型可能填補了 我們對宇宙的理解的空白 要驗證這些模型 我們需要證明這些新的重粒子的存在 這可以通過大型實驗來完成 例如在國際大型強子對撞機上 通過高能碰撞直接產生新的粒子 或者我們可以看到這些新粒子 如何改變雲中的電荷分佈 以及它們對電子的電偶極矩的影響 因此在ACME實驗中 對電子的電偶極矩的明確觀察 將證明新的粒子確實存在 這就是ACME實驗的目標 這就是爲什麼最近自然雜誌上 關於電子的一篇文章引起了我的注意 像我這樣的理論家 利用電子的電偶極矩的測量結果 以及其他基本粒子的性質的測量結果 來幫助識別新的粒子 並預測如何更好地研究它們 這樣做是爲了澄清這些粒子 在我們目前對宇宙的理解中的作用 我們需要找到一個非常強的電場的源頭 來測試電子的反應 這樣的場可以在一些分子內部找到 例如氧化土 這是ACME在實驗中使用的分子 在這些分子上 照射精心調節的激光 可以得到電子的電偶極矩的讀數 只要它不是太小 然而事實證明它是這樣的 ACME合作組的物理學家 沒有觀察到電子的電偶極矩 這表明它的值太小 以至於它們的實驗裝置無法檢測到 這一事實對我們理解 我們可以從未來的大型強子對撞擊實驗中 期待什麼有重要的影響 有趣的是 ACME合作組沒有觀察到電偶極矩的事實 實際上排除了在LHC上 最容易檢測到的重型新粒子的存在 這對於一個桌面大小的實驗來說 是一個了不起的結果 它影響了我們如何計劃 在巨型大型強子對撞擊上 直接尋找新粒子 以及我們如何構建描述自然的理論 令人驚訝的是 研究一些像電子這樣小的東西 竟然能告訴我們很多關於宇宙的事情 那麼電子的形狀到底是什麼呢 我們是否有希望在未來的實驗中 測量出它的電偶極矩呢 目前我們還沒有確定的答案 但我們有一些線索和猜想 一種可能性是 電子的形狀實際上是球形的 也就是說 它的電偶極矩確實是0 或者非常接近0 這意味着 電子的電荷分佈是完全對稱的 沒有任何偏離 這種情況下 我們需要尋找其他的量子性質 來探測電子周圍的虛擬粒子的影響 以及可能存在的新的物理現象 另一種可能性是 電子的形狀不是球形的 但是它的電偶極矩非常小 以至於我們目前的技術 還無法測量出來 這意味着 電子的電荷分佈是有一些微小的偏離的 可能由一些非常重的 或者非常弱相互作用的新粒子引起的 這種情況下 我們需要提高我們的測量精度 或者尋找其他的實驗方法 來放大電子的電偶極矩的信號 以便我們能夠觀察到它 無論哪種可能性 電子的形狀都是一個非常有趣和重要的研究課題 它可以幫助我們揭示宇宙的結構和規律 通過對電子的形狀的探索 我們不僅可以更好地理解電子這個基本粒子的本質 還可以更好地理解我們所生活的這個奇妙的世界