Форма электронов может содержать ответ на вопрос о том, почему материя существует
В первые мгновения существования нашей Вселенной бесчисленное количество протонов, нейтронов и электронов сформировалось вместе с их аналогами из антиматерии. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, почти все эти частицы материи и антиматерии встречались и аннигилировали друг друга, оставляя после себя только фотоны или вспышки света.
И если бы Вселенная была идеально симметричной, с равным количеством материи и антиматерии, это был бы конец истории — и нас бы никогда не существовало. Но должен был быть дисбаланс — какие-то оставшиеся протоны, нейтроны и электроны — которые сформировали атомы, молекулы, звезды, планеты, галактики и, в конце концов, людей.
«Если бы Вселенная была идеально симметричной, то не осталось бы ничего, кроме света. Это чрезвычайно важный момент в истории. Внезапно во Вселенной появилось вещество, и вопрос в том, почему?» — говорит научный сотрудник NIST/JILA Эрик Корнелл. «Почему у нас такая асимметрия?»
Математические теории и уравнения, объясняющие нашу Вселенную, требуют симметрии. Исследователи усовершенствовали эти теории, чтобы разобраться с наличием асимметрии. Но без доказательств эти теории — просто математика, объясняет Эрик Корнелл, поэтому физики-экспериментаторы, включая его группу в JILA, искали признаки асимметрии в фундаментальных частицах, таких как электроны.
Теперь группа JILA провела рекордное измерение электронов, сузив поиск того, откуда взялась эта асимметрия. Их выводы были опубликованы в журнале Science.
Одним из мест, где можно искать доказательства асимметрии, является электрический дипольный момент электрона (eEDM). Электроны состоят из отрицательного электрического заряда, и eEDM показывает, насколько равномерно этот заряд распределен между северным и южным полюсами электрона.
Любое измерение eEDM выше нуля подтвердит асимметрию; электрон был бы скорее яйцевидным, чем круглым. Но никто не знает, насколько малым может быть это отклонение.
«Нам нужно исправить нашу математику, чтобы она была ближе к реальности», — говорят ученые. «Мы ищем места, где может быть эта асимметрия, чтобы мы могли понять, откуда она взялась. Электроны — это фундаментальные частицы, и их симметрия говорит нам о симметрии Вселенной».
Команда физиков из NIST и JILA недавно установила рекорд точности измерения eEDM, улучшив предыдущие измерения в 2,4 раза.
Насколько это точно? По их словам, если бы электрон был размером с Землю, то исследование показало, что любая существующая асимметрия была бы меньше радиуса атома.
Провести такое точное измерение невероятно сложно, поэтому группе нужно было проявить смекалку. Исследователи посмотрели на молекулы фторида гафния. Если бы они приложили к молекулам сильное электрическое поле, некруглые электроны захотели бы выровняться с полем, перемещаясь внутри молекулы. Если бы они были круглыми, электроны не сдвинулись бы с места.
С помощью ультрафиолетового лазера они отрывали электроны от молекул, создавая набор положительно заряженных ионов, и ловили их.
Изменяя электромагнитное поле вокруг ловушки, молекулы были вынуждены либо выравниваться, либо не выравниваться с полем. Затем исследователи использовали лазеры для измерения энергетических уровней двух групп. Если бы уровни между ними были разными, это означало бы, что электроны асимметричны.
Эксперимент позволил проводить измерения дольше, чем в предыдущих попытках, что дало большую чувствительность. Однако измерения группы показали, что электроны не перемещались, указывая на то, что, насколько мы можем сейчас измерить, электроны круглые.
Нет никакой гарантии, что кто-либо найдет ненулевое измерение eEDM, отмечает Эрик Корнелл, но такой уровень точности в «настольном» эксперименте является достижением. Он показывает, что дорогие ускорители частиц — не единственное средство для изучения фундаментальных вопросов о Вселенной, и что есть много возможностей, которые можно попробовать.
И хотя ученые не нашли асимметрию, их результат поможет исследователям продолжать искать ответы на вопросы об асимметрии ранней Вселенной.
«Мы обнаружили, что согласно нашим измерениям электрон симметричен. Если бы мы нашли ненулевое значение, это было бы большой проблемой. Лучше всего, чтобы команды ученых по всему миру рассматривали разные варианты. Пока мы все продолжаем искать истину, в конце концов кто-то ее найдет».
Исследование было опубликовано в журнале Science.