在粒子物理學中，有一個非常成功的理論被稱為標準模型，它精確地描述了迄今為止實驗中進行的所有粒子物理的測量。但是，它卻還無法回答許多來自宇宙觀測的問題，比如暗物質(zhì)的本質(zhì)，以及為什么宇宙的物質(zhì)要遠多于反物質(zhì)。因此，物理學家發(fā)展了許多包含了超越標準模型的粒子和相互作用的新理論來解釋這些現(xiàn)象。這些粒子出現(xiàn)在真空中，并與普通的粒子相互作用并改變其性質(zhì)。
例如，如果宇宙中存在著一些超大質(zhì)量的粒子，那么它們的相互作用會違反時間反演對稱性（這解釋了宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱性），就可以產(chǎn)生沿電子自旋軸的電偶極矩。在一項最新的研究中，ACME（高級冷分子電子電偶極矩，Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment）合作項目發(fā)表了他們尋找電子的永久電偶極矩的最新結(jié)果：并未觀察到超出實驗精度的電偶極矩，也就是說，電子仍然非常的“圓”。這是很重要的實驗結(jié)果，因為它表明了，那些超越標準模型的理論所預(yù)測的新粒子的質(zhì)量應(yīng)該大于大型強子對撞機（LHC）所能直接探測到的質(zhì)量。
○ ACME實驗中的電子（藝術(shù)描繪）。| 圖片來源：NICOLE R. FULLER, NSF
電子是什么？
物質(zhì)是由什么構(gòu)成的？當我們進行層層“解剖”的時候就會發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成物質(zhì)的粒子包含了電子。電子非常有意思，它們可以在導電材料中流動而產(chǎn)生電流，同時它們也具有非常奇怪的量子行為——有時像粒子，有時像波。
但是，電子本身是什么樣子呢？在我們的想象中，電子通常被描繪成圍繞原子核運行的小粒子，就像圍繞恒星運行的行星一樣。然而，作為量子物體，電子不是粒子，電子并不是圍繞著原子核以確定軌道運行，而是像一團模糊的量子云圍繞著原子核運動。在一些實驗中，電子會表現(xiàn)出粒子般的行為，但它們并不是堅硬的固體，如我們想象中的粒子那樣。
更重要的是，電子是基本粒子。原子的原子核是由中子和質(zhì)子組成的，質(zhì)子又是由夸克組成的，電子卻只是電子，它不是由更小的粒子組成的。此外，電子還具有一種被稱為自旋的屬性。自旋類似于旋轉(zhuǎn)物體的角動量，不同的是，自旋是電子的固有屬性。
正如物理學家在談?wù)撾娮幼孕龝r經(jīng)常強調(diào)的那樣，電子并不是一個微小的、帶電荷的球體。事實上，據(jù)我們所知，“裸”電子是沒有特征的點——如果切斷一個電子與宇宙其余部分的所有相互作用，那么，電子就會變得無限小而毫無趣味。
幸好，電子和宇宙的其余部分確實存在相互作用，這也使得我們能夠測量電子的性質(zhì)。然而，由于宇宙是量子的，這些相互作用意味著我們永遠也看不到“裸”電子，相反，我們看到的是“裸”電子與宇宙其余部分相互作用的某種結(jié)合。這些相互作用會改變電子的能量，我們可以利用電子吸收或發(fā)射的光子來非常精確地確定電子的能量。然后，我們可以觀察，在其他場中，電子的能量是如何變化的。
相互作用中的電子
最重要的相互作用，是電子電荷和外加電場（比如附近另一個帶電粒子）之間的相互作用。這會產(chǎn)生一個非常大的能量移動，使電子“想”接近正電荷而遠離負電荷。這種”電單極“相互作用絕對會使任何其他相互作用相形見絀。
其次重要的是外加磁場和電子的固有自旋之間的”磁偶極“相互作用。這會產(chǎn)生一個微小的移動，但仍可以看到這種不對稱的影響：一個方向的磁場使電子的能量增加很小的量，而一個方向相反的磁場使之減少同樣的量。
如果將電子禁錮在一個位置，電子的能量大多來源于與禁錮物體的電單極相互作用，無論禁錮物體是什么；然而，如果將磁場在兩個方向之間來回切換，使用光譜測量就會發(fā)現(xiàn)兩個狀態(tài)之間的細微差別。這種差別大約是原子或分子中一個典型電子狀態(tài)能量的百萬分之一，但對原子物理學家來說，測量這個水平的能量差異是很平常的事。
ACME項目正在尋找的是“電偶極”相互作用，這種相互作用混合了之前兩種相互作用的特性。一方面，像電單極相互作用一樣，它是由外加電場引起的能量移動，另一方面，像磁偶極相互作用一樣，它取決于外加電場的方向，一個方向的電場讓能級向上移動，另一個方向的電場讓能級向下移動。
與電單極相互作用的能量相比，電偶極相互作用的能量絕對是微不足道的。但是，如果使用電單極相互作用將一個電子固定于原子或分子，使電子不能沿著電場的方向輕易移動，然后，當改變電場的方向時，就可能看到電偶極相互作用引起的能量移動。
電偶極相互作用的強度是通過“電偶極矩”測量的，在經(jīng)典電磁學中，我們會計算宏觀電荷分布的電偶極矩。一個完美的帶電球體的電偶極矩會是零，也就是說，無論在哪個方向施加電場，都會得到相同的總能量。
電荷的任何“不均勻”分布都會產(chǎn)生一個非零的電偶極矩，這就是為什么人們用“電子形狀”來描述此次實驗：球體上一個極的微小“凸起”，和另一個極的相應(yīng)的“凹陷”會產(chǎn)生電偶極矩，然后，利用電荷和半徑，就可以計算需要多大的“凹凸”才能產(chǎn)生一個特定大小的電偶極矩。
電子和虛粒子的相互作用
正如前文提到的，我們從未真正見過“裸”電子，只能看到電子與宇宙其余部分的相互作用。這些相互作用不僅包括實驗過程中施加的電場，還包括不可避免的真空電磁場。
量子物理學告訴我們，永遠不可能存在絕對虛空，在周圍永遠存在零點能量的漲落，電子會和這些零點漲落的場相互作用。根據(jù)費曼描述的圖像，相互作用是以周圍電子的“虛粒子”云的形式出現(xiàn)的，這些虛粒子云傳導著電子和施加的場的相互作用。
○ 電子和電磁場相互作用的費曼圖。| 圖片來源：CHAD ORZEL
正是這些虛粒子使得精密光譜學成為一種行之有效的尋找奇異物理學的方法。電子和虛粒子之間的相互作用會導致電子能量的移動，按照量子物理學的本質(zhì)——“不被禁止的一切都是必須的“，這些虛粒子包括一切，（原則上）甚至包括奶酪做的兔子。
計算和虛粒子的相互作用要包括一切，這似乎太過瘋狂，但是幸好，某種特定類型的虛粒子引起的能量移動的大小，會隨著粒子質(zhì)量的增加，以及所涉及的虛粒子數(shù)量的增加而減少。
當理論物理學家試圖預(yù)測某次實驗中一個電子的能量時，他們毋需計算所有可感知到的大量粒子的影響，而只需包括那些質(zhì)量足夠小的粒子，且粒子數(shù)量少到足以引起實驗中探測到的能量移動的大小即可。或者，事情也可以反過來，當實驗人員測量到電子能量的移動時，他們可以反向計算，確定導致電子能量移動的虛粒子的質(zhì)量。
ACME的結(jié)果
ACME項目的最新結(jié)果實際上是，人們沒有觀察到這種能量移動。實驗人員向冷的一氧化釷（ThO）分子施加各種各樣的電磁場，然后尋找隨著施加電場的方向改變的能量移動，如果電子具有電偶極矩，就應(yīng)當能夠觀察到這種能量移動。
這個實驗的精度非常之高，如果一個電子有地球那么大，那么，只要它偏離完美球形達到一根頭發(fā)的距離，實驗人員就可以分辨出來。然而，他們并沒有觀察到超出實驗測量的不確定性的能量移動，而是將任何可能的電子電偶極矩的大小的嚴格上限確定為：必須小于0.000000000000000000000000000011 e-cm （一個電子和一個正電子相隔1cm時的偶極矩為1 e-cm）。
電子電偶極矩的嚴格上限會為任何具有恰當特性的、會產(chǎn)生電偶極矩的假想粒子的質(zhì)量設(shè)定一個嚴格下限。如果假定偶極矩是由“單回路”費曼圖產(chǎn)生的（圖中最簡單的費曼圖類型），那么，這些假想粒子的最小質(zhì)量大約是30TeV，或者說是大型強子對撞機的最大能量的兩倍多一點。
如果允許“單回路”費曼圖的貢獻為零（這在理論上不難實現(xiàn)，但不夠優(yōu)雅），而只考慮“雙回路”費曼圖，這些假想粒子的質(zhì)量下限會降低到大約3 TeV，這仍然相當大。
顯然，對于可能的理論來說，這是相當嚴格的限制。如今，電子的電偶極矩被確定為10-29e-cm的量級，對于理論物理學家來說，還有一些回旋的余地。但這是另一個強有力的證據(jù)，它表明，無論有什么超越標準模型的物理存在，都將會是非常不同的東西。
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0599-8
https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2018/10/22/how-does-the-shape-of-an-electron-limit-particle-physics/#5d2b5505651c
https://www.forbes.com/sites/briankoberlein/2018/10/18/acme-experiment-finds-that-electrons-are-really-really-round/#73923a317747
https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=296867
文章來源：原理 編譯：烏鴉少年
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