음전하의 구형 구름으로 전자를 상상해보십시오. 그 공이 조금이라도 덜 둥글다면 우주가 무가 아니라 유를 포함하는 이유를 포함하여 물리학에 대한 우리의 이해에 근본적인 차이를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

위험을 감안할 때, 작은 물리학자 커뮤니티는 지난 수십 년 동안 전자 형태의 비대칭성을 끈질기게 찾아왔습니다. 실험은 이제 매우 민감하여 전자가 지구 크기라면 북극에서 단일 설탕 분자 높이의 범프를 감지할 수 있습니다.

최신 결과는 전자가 그것보다 둥글다는 것입니다.

업데이트된 측정은 새로운 물리학의 징후를 기대하는 사람을 실망시킵니다. 그러나 그것은 이론가들이 현재 그림에서 누락된 알 수 없는 입자와 힘에 대한 모델을 제한하는 데 여전히 도움이 됩니다.

"항상 XNUMX을 측정하는 실험가가 되는 것은 어렵다고 확신합니다. [하지만] 이 실험의 null 결과도 정말 가치 있고 우리에게 무언가를 가르쳐줍니다."라고 말했습니다. 피터 그레이엄, 스탠포드 대학의 이론 물리학자. 새로운 연구는 "기술적 역작이며 새로운 물리학에 매우 중요합니다."

밀렵 코끼리

XNUMXD덴탈의 입자 물리학의 표준 모델 우주 동물원에 존재하는 모든 입자의 최고의 목록입니다. 이 이론은 지난 수십 년 동안 실험적 테스트에서 예외적으로 잘 유지되었지만 일부 심각한 "코끼리가 방안에" 남아 있다고 말했습니다. 드미트리 버드커, 캘리포니아 대학교 버클리의 물리학자.

우선, 우리의 단순한 존재는 표준 모델이 불완전하다는 증거입니다. 이론에 따르면 빅뱅은 서로를 소멸시킬 동일한 부분의 물질과 반물질을 생성해야 했기 때문입니다.

1967년 소련의 물리학자 안드레이 사하로프는 가능한 해결책 이 특별한 수수께끼에. 그는 거꾸로 보면 다르게 보이는 자연계의 어떤 미세한 과정이 있음에 틀림없다고 추측했다. 그런 식으로 물질이 성장하여 반물질을 지배할 수 있습니다. 몇 년 전에 물리학자들은 발견 카온 입자의 붕괴에서 그러한 시나리오. 그러나 그것만으로는 비대칭을 설명하기에 충분하지 않았습니다.

그 이후로 물리학자들은 저울을 더 기울일 수 있는 새로운 입자의 힌트를 찾기 위해 사냥을 해왔습니다. 일부는 Large Hadron Collider를 사용하여 직접 수행합니다. 종종 지금까지 만들어진 가장 복잡한 기계로 선전됩니다. 그러나 지난 수십 년 동안 상대적으로 저예산 대안이 등장했습니다. 가상의 입자가 알려진 입자의 특성을 어떻게 변경하는지 살펴보는 것입니다. "[새로운 물리학의] 발자국을 볼 수 있지만 실제로 발자국을 만든 것은 볼 수 없습니다."라고 말했습니다. 마이클 램지-무솔프, Amherst에 있는 Massachusetts 대학의 이론물리학자.

그러한 잠재적 발자국 중 하나는 전자의 원형에 나타날 수 있습니다. 양자 역학은 전자의 음전하 구름 내부에서 다른 입자가 끊임없이 깜박거리며 존재하지 않는다는 것을 나타냅니다. 물질의 원시적 우위를 설명하는 데 도움이 될 수 있는 종류인 표준 모델을 넘어서는 특정 "가상" 입자의 존재는 전자 구름을 약간 더 달걀 모양으로 보이게 할 것입니다. 하나의 팁은 막대 자석의 끝과 같이 약간 더 양전하를 띠고 다른 팁은 약간 더 음전하를 띱니다. 이러한 전하 분리를 전기 쌍극자 모멘트(EDM)라고 합니다.

표준 모델은 현재 기술이 조사할 수 있는 것보다 거의 백만 배 더 작은 전자에 대한 소멸할 정도로 작은 EDM을 예측합니다. 따라서 연구자들이 오늘날의 실험을 사용하여 직사각형 모양을 감지한다면 그것은 새로운 물리학의 결정적인 흔적을 드러내고 표준 모델이 놓칠 수 있는 것을 가리킬 것입니다.

전자의 EDM을 찾기 위해 과학자들은 입자의 방향을 정의하는 고유 속성인 입자 스핀의 변화를 찾습니다. 전자의 스핀은 일종의 손잡이 역할을 하는 자기 모멘트와 함께 자기장에 의해 쉽게 회전할 수 있습니다. 이 탁상 실험의 목표는 대신 EDM을 전기 손잡이로 사용하여 전기장을 사용하여 회전을 시도하는 것입니다.

"전자가 완전한 구형이라면 토크를 가하기 위해 잡을 손잡이가 없습니다."라고 말했습니다. 아마르 부타, 토론토 대학의 물리학자. 그러나 상당한 규모의 EDM이 있는 경우 전기장은 전자의 스핀을 잡아당기기 위해 이를 사용할 것입니다.

2011년 Imperial College London의 연구원들은 보여 전자를 중분자에 고정시켜 핸들 효과를 증폭시킬 수 있다는 것입니다. 그 이후로 두 개의 주요 팀은 점점 더 정확한 측정을 통해 몇 년마다 서로 도약했습니다.

현재 Northwestern University에서 진행 중인 한 실험은 Advanced Cold Molecule Electron EDM 또는 ACME(오래된 로드 러너 만화). 다른 하나는 콜로라도 대학의 JILA 연구소에 기반을 두고 있습니다. 경쟁 팀의 측정값은 지난 200년 동안 민감도가 XNUMX배 증가했지만 여전히 EDM이 보이지 않습니다.

"결승선이 어디인지, 심지어 결승선이 있는지조차 모른다는 점을 제외하면 일종의 경주입니다."라고 말했습니다. 데이비드 데밀, 시카고 대학의 물리학자이자 ACME 그룹의 리더 중 한 명.

미지의 경주

트레킹을 계속 진행하기 위해 연구원들은 더 많은 측정과 더 긴 측정 시간이라는 두 가지를 원합니다. 두 팀은 정반대의 접근 방식을 취합니다.

ACME 그룹은 이전 기록 2018년에는 측정량을 우선으로 합니다. 그들은 실험실 전체에 중성 분자 빔을 쏘아 초당 수천만 개의 분자를 조사하지만 각각 몇 밀리초 동안만 조사합니다. JILA 그룹은 더 적은 수의 분자를 측정하지만 더 오래 측정합니다. 한 번에 수백 개의 분자를 포획한 다음 최대 XNUMX초 동안 측정합니다.

최초로 개발된 이온 트래핑 기술 에릭 코넬JILA 그룹을 지휘하는 볼더에 있는 콜로라도 대학의 물리학자는 "큰 개념적 돌파구"였다고 DeMille은 말했습니다. “현장의 많은 사람들은 이것이 말도 안 된다고 생각했습니다. 그것이 결실을 맺는 것을 보는 것은 정말 신나는 일입니다.”

Budker는 서로를 교차 확인할 수 있는 두 가지 다른 실험 설정을 갖는 것이 "절대적으로 중요하다"고 말했습니다. “나는 이 영리함과 끈기에 대한 감탄을 표현할 말이 없습니다. 그것은 현존하는 최고의 과학일 뿐입니다.”

코넬의 기술은 처음이었다. 전시 2017년 하프늄 플루오라이드 분자로. 그 이후로 기술적인 개선으로 그룹은 ACME의 기록을 2.4배 능가할 수 있었습니다. 최근 사전 인쇄 Cornell의 전 대학원생 Tanya Roussy가 이끄는. 팀은 논문이 검토되는 동안 논평을 거부했습니다. 과학.

향상된 정밀도로 전자의 진원도를 조사하는 것은 더 높은 에너지 규모에서 새로운 물리학을 찾거나 더 무거운 입자의 징후를 찾는 것과 같습니다. 이 새로운 경계는 대략 10 이상의 에너지에 민감합니다.¹³ 전자볼트 — LHC가 현재 테스트할 수 있는 것보다 훨씬 더 큽니다. 수십 년 전 대부분의 이론가들은 새로운 입자의 힌트가 이 규모보다 훨씬 아래에서 발견될 것이라고 예상했습니다. 기준이 올라갈 때마다 일부 아이디어는 신용이 떨어집니다.

Ramsey-Musolf는 "우리는 이러한 한계가 의미하는 것과 계속 씨름해야 합니다."라고 말했습니다. "아직 아무것도 죽지 않았지만 열이 오르고 있습니다."

한편 전자 EDM 커뮤니티는 앞서 나가고 있습니다. 향후 실험 반복에서 결투 그룹은 중간 어딘가에서 만나는 것을 목표로 합니다. JILA 팀은 이온으로 가득 찬 빔을 만들어 이온 수를 늘리고 ACME 팀은 빔 길이를 연장하여 측정 시간을 늘리려고 합니다. Vutha는 몇 배나 더 민감하게 반응할 수 있기를 바라며 얼음 블록에 분자를 얼리는 것과 같은 "완전히 미친" 접근 방식을 연구하고 있습니다.

꿈은 이러한 EDM 실험이 새로운 물리학의 징후를 가장 먼저 감지하여 다른 정밀 측정 실험 및 더 큰 입자 가속기에서 후속 조사의 물결을 촉발하는 것입니다.

전자의 모양은 "자연의 기본 법칙의 완전히 새롭고 다른 부분에 대해 우리에게 가르쳐주는 것"이라고 Graham은 말했습니다. “대단한 발견이 일어나기를 기다리고 있습니다. 나는 우리가 거기에 도달할 것이라고 낙관합니다.”