Електронът е добре известен като един от основните компоненти на атомите от реалния свят около нас. Именно електроните, обкръжаващи ядрото на всеки атом, определят протичането на химическите реакции. Тяхното използване в промишлеността е широко разпространено: от електрониката и заваряването до формирането на изображенията и съвременните ускорители на частици. Но проведеният неотдавна физичен експеримент с име ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment (Подобрен студен молекулярен електрон с диполен момент), постави електрона в центъра на мащабно научно изследване. Въпросът на който трябваше да отговори ACME бе измамно прост: каква е формата на електрона?
Класически и квантови форми
Към днешен ден физиците знаят, че електроните нямат вътрешна структура и следователно, нямат форма в класическото значение на тази дума. На съвременния език на физиката на елементарните частици, в която се разглежда поведението на обектите, по-малки от атомното ядро, фундаменталните блокове на материята са непрекъснати течнообразни „квантови полета“, които пронизват цялото пространство. На този език електронът се възприема като квант или частица от „електронното поле“. След като знаем това, има ли смисъл да говорим за формата на електрона, ако не можем да го видим с помощта на мощен микроскоп или някакво друго подобно устройство?
За да отговорим на този лесен на пръв поглед въпрос, трябва да адаптираме нашето определение за формата, за да можем да го използваме при невероятно малките мащаби или с други думи, в областта на квантовата физика. Да виждаме различните обекти в нашия макроскопичен свят означава да открием лъчите светлина, отразяващи се от обектите около нас.
По-просто казано, ние определяме формата на обектите като наблюдаваме как са осветени. Това може да изглежда малко странен начин за определяне формата на един обект, но той е особено полезен в субатомния свят на елементарните частици. Същият метод дава възможност да се определи формата на електрона, подобно на начина по който определяме предметите в класическия макросвят.
Но какво да използваме в микросвета? Светлината е комбинация от променливи електрически и магнитни полета и би били интересно да открием квантовите свойства на електрона, които дават информация за неговата реакция на подобни електромагнитни полета. Да го направим.
Електроните в електрическото и магнитното поле
Нека като пример разгледаме основното свойство на електрона: неговият електрически заряд. Той описва силата и в крайна сметка ускорението, което би изпитал електронът, ако бъде поместен във външно електрическо поле. Това свойство на електрона се запазва и в квантовия свят.
Другото основно свойство на електрона е неговият магнитен диполен момент. Той показва по какъв начин реагира електронът на външното магнитно поле. В това отношение електронът има поведение на малък магнит, който се опитва да бъде ориентиран спрямо направлението на магнитното поле. Важно е да се разбере, че това са само аналогии, в които не е необходимо да се задълбочаваме особено. Те просто ни дават възможност да разберем, защо физиците са толкова заинтересовани в измерването на тези квантови свойства с максимално възможна точност.
Кое квантово свойство описва формата на електрона? Всъщност, те са няколко. Най-лесното за разбиране и най-полезното за физиците свойство е електрическият диполен момент или ЕДМ.
В класическата физика, ЕДМ възниква при разпределението на зарядите в пространството. Грубо казано, това е векторът, съединяващ най-отрицателния център с най-положителния център. Електрически заредената сфера, в която липсва разпределение на зарядите е с ЕДМ равен на нула. Но нека си представим гира, двете кълба на която са заредени противоположно: едната страна е с положителен заряд, а другата – с отрицателен. В микросвета, тази гира има ненулев електрически диполен момент. Ако формата на обекта се отразява на разпределението на електрическия заряд, то това ще означава, че формата на именно този обект не е сферична. Очевидно е, че ЕДМ може да се използва за определяне формите на макроскопичните обекти.
Електрическият диполен момент в квантовия свят
В квантовия свят определянето на ЕДМ е значително по-трудно. В микросвета, пространството около електрона не е пусто и не е неподвижно. То е запълнено с най-различни субатомни частици, които за съвсем кратки промеждутъци от време съществуват виртуално.
Тези виртуални частици образуват нещо като „облак“ около електрона. Ако насочим светлина към електрона, част от нея може да се отрази във виртуалните частици в облака, а не от самия електрон. Но това ще промени нивото на заряда, магнитния и електрическия диполни моменти. Изключително точните измервания на тези квантови свойства ще ни покажат, какво е поведението на тези неуловими виртуални частици, когато взаимодействат с електрона, и дали и как променят неговия ЕДМ.
Най-интересното е, че сред тези виртуални частици може да има нови, неизвестни за нас видове, с които все още не сме се сблъсквали. За да забележим тяхното влияние на електрическия диполен момент на електрона, трябва да сравним резултатите от измерванията с теоретичните пресмятания на размера на ЕДМ, извършени в съответствие с приетата към днешен ден теория за Вселената или Стандартния модел.
Досега стандартният модел съвсем точно описваше всички лабораторни измервания, провеждани досега. Но не може да даде отговор на някои от най-фундаменталните въпроси – например, защо материята доминира над антиматерията в цялата Вселена. И още, Стандартният модел предсказва толкова малък размер на електрона, че експериментът ACME няма никакви шансове да го измери. Но какво би станало, ако ACME успее да регистрира ненулево значение за електрическия диполен момент на електрона?
Запълваме празнините в Стандартния модел
Предложени бяха нови теоретични модели, които запълват недостатъците на Стандартния модел, предсказвайки нови тежки частици. Тези модели биха могли да запълнят празнините в нашето разбиране за Вселената. За да проверим тези модели, трябва да докажем съществуването на тези нови тежки частици. Това може да се направи с помощта на сложни експерименти, като например научните експерименти в Големия адронен колайдер, при които при сблъска на високоенергийни елементарни частици се образуват нови частици.
Като алтернатива, бихме могли да видим по какъв начин новите частици променят заряда в „облака“ и тяхното влияние на ЕДМ на електрона. По този начин, чрез наблюдението и измерването на диполния момент на електрона в експеримента ACME, биха доказали съществуването на новите частици. Именно това е целта на експеримента ACME.
Какво трябва да се направи, за да се измери електрическия диполен момент? Необходим е източник на много силно електрическо поле, за да се провери реакцията на електрона на неговото въздействие. Един от възможните източници на подобни силни електрически полета са молекулите, като например ториевия оксид. Именно тази молекула бе използвана в експеримента ACME. Чрез осветяване на тези молекули със специално настроени лазери, може да се разбере значението на електрическия диполен момент на електрона, стига той да не е твърде малък.
Но се оказа, че той наистина е твърде малък. Физиците от ACME не регистрираха електрическия диполен момент на електрона. Това подсказва, че неговата величина е твърде малка, за да може днешният експериментален апарат да го открие и измери. Този факт има огромно значение за нашето разбиране, какво можем да очакваме от експериментите с Големия адронен колайдер в близкото бъдеще.
Още по-интересно е, че щом ACME не успя да открие ЕДМ на електрона, то това фактически изключва съществуването на нови тежки частици с помощта на колайдера. Това е великолепен резултат за един не много сложен експеримент, който помогна при планирането на търсенето на нови частици с помощта на Големия адронен колайдер, както и на начина, по който изграждаме теориите, описващи природата на частиците. Учудващо е, как нещо толкова малко, като електрона, може да ни разкрие толкова много за Вселената.
Alexey Petrov: What a Tiny Electron Reveals About the Structure of the Universe
