Новое исследование поддерживает Стандартную модель физики элементарных частиц

В новой работе ученые исследовали форму заряда электрона с беспрецедентной точностью, чтобы подтвердить, что он совершенно сферический. Немного сжатый заряд мог указывать на неизвестные, трудно обнаруживаемые тяжелые частицы в присутствии электрона, открытие, которое могло бы перевернуть глобальное физическое сообщество.

«Если бы мы обнаружили, что форма была не круглой, то это было бы самым большим событием в физике в течение последних нескольких десятилетий», — сказал Джеральд Габриэльсе, возглавлявший исследование. «Но наш вывод по-прежнему так же научно значим, потому что он укрепляет стандартную модель физики частиц и исключает альтернативные модели».

Многолетняя теория, Стандартная модель физики частиц описывает большинство фундаментальных сил и частиц во Вселенной. Модель представляет собой математическую картину реальности, и никакие лабораторные эксперименты, которые были выполнены, не противоречили ей.

Это отсутствие противоречий вызывало недоумение у физиков на протяжении десятилетий.

«Стандартная модель в ее нынешнем виде не может быть до конца правильной, потому что она не может предсказать, почему существует Вселенная», — сказал Габриэльсе, профессор попечительского совета физики университета Northwestern. «Это довольно большая лазейка».

Габриэльсе и его коллеги из ACME (Advanced Cold Molecule Electron) потратили много времени, пытаясь закрыть эту лазейку, изучив предсказания Стандартной модели, а затем попытавшись подтвердить их с помощью экспериментов в лаборатории.

Пытаясь «исправить» стандартную модель, многие альтернативные модели предсказывают, что, казалось бы, однородная сфера электрона асимметрично сжимается. Одна такая модель, называемая суперсимметричной моделью, утверждает, что неизвестные тяжелые субатомные частицы влияют на электрон, чтобы изменить его совершенно сферическую форму — недоказанное явление, называемое «электрическим дипольным моментом».

Эти неоткрытые, более тяжелые частицы могут быть ответственны за некоторые из самых главных загадок вселенной и могут объяснить, почему вселенная состоит из материи вместо антиматерии.

«Практически все альтернативные модели говорят, что заряд электрона вполне может быть сплющен», — сказал Габриельсе. «Вот почему мы решили изучить его с более высокой точностью, чем когда-либо раньше».

Команда ученых исследовала этот вопрос, выпустив пучок холодных молекул оксида тория в камеру размером с большой стол. Затем исследователи изучили свет, испускаемый молекулами. Скручивающий свет указывает на электрический дипольный момент.

Когда свет не скручивался, исследовательская группа пришла к выводу, что форма электрона была, по сути, круглой, подтверждающей предсказание стандартной модели. Никакие доказательства электрического дипольного момента не свидетельствуют об этих гипотетических более тяжелых частицах. Если эти частицы вообще существуют, их свойства отличаются от свойств, предсказанных теоретиками.

В 2014 году команда ACME выполнила те же измерения с более простым аппаратом. Используя усовершенствованные лазерные методы и различные частоты лазера, текущий эксперимент оказался на порядок более чувствительным, чем его предшественник.

«Если бы Электрон был размером с Землю, мы могли бы обнаружить смещение центра Земли на расстоянии в миллион раз меньше, чем человеческий волос,» сказал Габриельсе. «Вот насколько чувствителен наш аппарат.»

Исследователи планируют продолжать настройку своего инструмента, чтобы делать все более точные измерения. Пока исследователи не найдут доказательств обратного, сферические формы электрона и тайны вселенной останутся.

«Мы знаем, что Стандартная модель неверна, но мы не можем найти, что неправильно. Это как огромная мистическая повесть», — сказал Габриельсе. «Мы должны быть очень осторожны, делая предположения, что мы приближаемся к разгадке тайны, но у меня есть большая надежда, что мы становимся ближе на достигнутом уровне точности.»

ACME Collaboration, Improved limit on the electric dipole moment of the electron, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0599-8