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近距离观察电子在粒子物理学方面的进步

发布时间：2024-06-30 12:00:16编辑：来源：

对电子进行前所未有的仔细研究，为无限小的粒子，能量和力量的弯曲性提供了一扇窗口。

研究结果显示，电子电荷的球形形状来自科学基金会(NSF)资助的高级冷分子电子偶极矩(ACME)搜索。这些结果支持了粒子物理标准模型的强度，这是一个描述宇宙中大部分基本力和粒子的长期理论，似乎迫使几种替代理论进行修正。

在耶鲁大学，哈佛大学和西北大学的研究人员的带领下，ACME团队在自然问题上报道了他们的成果。

无论是恒星之间的空虚还是分子之间的空虚，实验都表明经过仔细研究，任何真空都不是真正的空洞。各种亚原子粒子 - 以及它们的反物质粒子 - 不断地存在和不存在，并在接触时相互消灭。该环境影响电子，其由恒定相互作用定义的圆形负电荷。

许多理论 - 涉及“超对称”和“大统一”等概念 - 认为如果研究人员能够仔细观察电子并发现它的球形电荷稍微被压扁，那么一些未被发现的亚原子粒子就会被揭示出来。

这需要进行极端观察，类似于将地球大小的球体测量到几个原子厚度的精度。

ACME的研究人员确实密切关注电子的电荷 - 发现球体看起来是完美的圆形。

科学基金会原子，分子和光学物理项目的项目主任John Gillaspy说：“电子总是带着一团短暂的粒子，在它周围的真空中扭曲。” “扭曲不能与粒子分离，它们的相互作用导致电子电荷的最终形状，称为电偶极矩或EDM。”

近十年来，NSF支持ACME团队在追求此类观察时进行的更精确的实验。

“支持这项工作涉及将大量资源用于高风险，高回报的想法，”Gillaspy说。“投资相对较大，时间表相对较长，但这些新结果表明风险值得。在精确测量方面，大的进步往往需要大胆的精神和大量的耐心。“

分子束

ACME使用一种独特的工艺，包括将一束冷的氧化钍分子 - 每脉冲100万次，每秒50次 - 发射到一个大桌子大小的腔室中。

“探测电子电荷的形状对基础物理学有着深远的影响，但可以通过适度规模的实验来完成，”西北大学ACME小组负责人Gerald Gabrielse说。“整个ACME团队只有十几名研究人员，他们使用的设备适合哈佛大学的地下室。”

在相对较小的腔室内，激光使分子及其电子定向，因为它们在精心控制的磁场内的两个带电玻璃板之间翱翔。

然后，ACME的研究人员通过一组经过精心调整的“读出”激光器观察分子发出的光线。这个光线揭示了电子的方向在飞行过程中是否会扭曲，如果它被压扁就会发生。

“对于粒子物理学来说，这是一个激动人心的发展，”哈佛大学ACME小组负责人John Doyle说道，“房间大小，量子测量的测量正在帮助推进粒子物理学的前沿，探索物质存在的主导理论在我们的宇宙中。“

标准模型预测，与特定粒子的相互作用确实会轻微地挤压电子的电荷，但效果只会在比ACME观察到的精确度高10亿倍的分辨率下显着。

通过控制大约三十个参数，从激光器的调谐到实验步骤的时间，ACME团队比最后一个记录保持器实现了十倍的改进，这是他们在2014年使用更简单的设备进行的先前实验。随着进一步的改进， ACME预计其精度至少会提高十倍。

“标准模型的预测与其替代方案完全不同，ACME可以区分这些预测，”耶鲁大学ACME小组负责人David DeMille指出。“我们的结果告诉科学界我们需要认真重新考虑其中一些替代理论。”

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