如果電子的電荷分布并不是完美的圓形，就有可能揭示潛在的新粒子。不過(guò)，最新的測(cè)量結(jié)果顯示，電子的電荷分布的確接近完美的圓。

把一個(gè)電子想象成一朵帶負(fù)電荷的球形云。如果這個(gè)球稍微有些隆起或凹陷，也就是不那么圓，或許就有助于解釋我們物理學(xué)知識(shí)框架中的空白，比如：為什么宇宙并非空無(wú)一物，而是囊括了一些物質(zhì)。

考慮到其中的利害關(guān)系，在過(guò)去的幾十年里，一小群物理學(xué)家一直在執(zhí)著地尋找電子形狀的任何不對(duì)稱性?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)儀器非常靈敏，即便電子有地球那么大，物理學(xué)家也能探測(cè)到北極地區(qū)一個(gè)糖分子大小的隆起。

于是，最新的測(cè)量結(jié)果出來(lái)了：電子比這還要圓。

這個(gè)結(jié)果讓那些希望看到新物理學(xué)大門的人失望了，但仍然有助于理論物理學(xué)家優(yōu)化他們的模型，以確定當(dāng)前理論框架中可能缺失的未知粒子和力。

斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)家彼得 ·格雷厄姆（Peter Graham）說(shuō)：“我敢肯定，對(duì)于一名實(shí)驗(yàn)人員來(lái)說(shuō)，如果他一直什么都測(cè)不到，職業(yè)生涯一定會(huì)很艱難。不過(guò)，就電子形狀這個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，即使結(jié)果是零，也很有價(jià)值，也確實(shí)能讓我們收獲重要啟示。這項(xiàng)研究把我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)推上頂峰，而這對(duì)未來(lái)的新物理學(xué)也非常重要?！?/p>

偷獵大象

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型是我們擁有的最棒的花名冊(cè)，上面記錄了宇宙這座動(dòng)物園內(nèi)存在的所有粒子。加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家德米特里 · 巴德克（Dmitry Budker）說(shuō)，在過(guò)去幾十年里，這個(gè)理論在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中表現(xiàn)得異常出色，但它也留下了不容忽視的“房間里的大象”。

首先，我們的存在本身就證明標(biāo)準(zhǔn)模型并不完備，因?yàn)楦鶕?jù)這個(gè)理論，大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們應(yīng)該早就相互湮滅了。

1967年，蘇聯(lián)物理學(xué)家安德烈 ·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）為這個(gè)特殊的難題提出了一個(gè)可能的解決方案。他推測(cè)，在自然界中一定存在著某種不一樣的微觀過(guò)程，它的逆向過(guò)程無(wú)法完全抵消正過(guò)程：這樣，物質(zhì)就可以生長(zhǎng)到支配反物質(zhì)的地位。幾年前，物理學(xué)家就在K介子的衰變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了這類現(xiàn)象。但僅憑這一點(diǎn)還不足以解釋不對(duì)稱性。

從那時(shí)起，物理學(xué)家就一直在尋找可以進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)這一局面的新粒子的線索。有些研究者采用直截了當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法，即使用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)——很多人都把它奉為有史以來(lái)最復(fù)雜的機(jī)器。不過(guò)，在過(guò)去的幾十年里，也出現(xiàn)了一種成本相對(duì)較低的替代方案：觀察假想中的粒子如何改變已知粒子的性質(zhì)。馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校理論物理學(xué)家邁克爾 ·拉姆塞-穆索夫（Michael Ramsey-Musolf）說(shuō)：“你看到了（新物理學(xué)的）印跡，但并沒(méi)有真正看到制造它們的東西?！?/p>

電子的圓度就是這樣一個(gè)潛在的新物理學(xué)印跡。量子力學(xué)表明，在電子這朵帶負(fù)電荷的云中，其他粒子不斷涌現(xiàn)又消失。不在標(biāo)準(zhǔn)模型中的某些“虛”粒子的存在——這類粒子有助于解釋正物質(zhì)（相對(duì)于反物質(zhì)）為什么會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位——會(huì)使電子云看起來(lái)更像雞蛋（沒(méi)有那么圓），一端帶更多的正電荷，另一端帶更多的負(fù)電荷，就像條形磁鐵的兩端一樣。這種電荷分離的現(xiàn)象叫做電偶極矩（EDM）。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，電子的電偶極矩非常小，大概是目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)探測(cè)極限的百萬(wàn)分之一。因此，如果研究人員現(xiàn)在通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段探測(cè)到電子的電荷分布更接近長(zhǎng)方形，那無(wú)疑就打開了一扇通往新物理學(xué)的大門，并能指出標(biāo)準(zhǔn)模型缺失的內(nèi)容。

為了尋找電子的電偶極矩，科學(xué)家研究粒子自旋的變化——自旋是粒子的一種內(nèi)稟屬性，可以借自旋定義粒子的方向。磁場(chǎng)可以輕易扭轉(zhuǎn)電子的自旋方向，因此，我們可以把電子的磁矩看作某種手柄。而實(shí)驗(yàn)人員的目標(biāo)則是用電場(chǎng)來(lái)扭轉(zhuǎn)電子自旋方向，也就是把電偶極矩用作電手柄。

多倫多大學(xué)物理學(xué)家阿馬爾 · 伍薩（Amar Vutha）說(shuō)：“如果電子是完美的球形，就沒(méi)有手柄可以讓我們扭轉(zhuǎn)它的自旋方向。但如果電子的電偶極矩相當(dāng)大，電場(chǎng)就可以利用這點(diǎn)改變電子自旋方向?！?/p>

2011年，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，將電子錨定在重分子上，就可以放大這種電手柄效應(yīng)。自那之后，兩支研究電子電荷分布的主要團(tuán)隊(duì)你追我趕、交替領(lǐng)先，每隔幾年就會(huì)得到精確度大大提升的測(cè)量結(jié)果。

目前，美國(guó)西北大學(xué)正在開展一項(xiàng)名為“先進(jìn)冷分子電子電偶極矩”（ACME）的實(shí)驗(yàn)。他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手則是科羅拉多大學(xué)實(shí)驗(yàn)天體物理研究所的一支團(tuán)隊(duì)。在過(guò)去的十年里，這兩支相互競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)測(cè)量精度提高了200倍，但仍然沒(méi)有探測(cè)到電子的電偶極矩。

“這有點(diǎn)像賽跑，只不過(guò)我們不知道終點(diǎn)線在哪里，甚至不知道終點(diǎn)線是否存在?！敝ゼ痈绱髮W(xué)物理學(xué)家、ACME小組的領(lǐng)導(dǎo)人之一大衛(wèi) · 德米爾（David DeMille）說(shuō)。

奔向未知的賽跑

為了在競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先，團(tuán)隊(duì)中的研究人員要做到兩點(diǎn)：更多的測(cè)量次數(shù)和更長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。不過(guò)，兩支團(tuán)隊(duì)的具體實(shí)現(xiàn)方法截然不同。

2018年，ACME團(tuán)隊(duì)率先創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度紀(jì)錄，他們的研究方法優(yōu)先考慮的是測(cè)量次數(shù)。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中發(fā)射一束中性分子，每秒探測(cè)數(shù)千萬(wàn)個(gè)中性分子，但每次只持續(xù)幾毫秒?？屏_拉多大學(xué)實(shí)驗(yàn)天體物理研究所團(tuán)隊(duì)測(cè)量的分子數(shù)量較少，但時(shí)間更長(zhǎng)：他們一次捕獲幾百個(gè)分子，然后測(cè)量它們，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3秒。

為此，科羅拉多大學(xué)實(shí)驗(yàn)天體物理研究所團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人之一、科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理學(xué)家埃里克 · 康奈爾（Eric Cornell）開發(fā)了離子捕獲技術(shù)。對(duì)此，德米爾評(píng)價(jià)說(shuō)：“這是一個(gè)重大概念突破，這個(gè)領(lǐng)域的許多研究人員之前都覺(jué)得這個(gè)想法很是瘋狂。看到它開花結(jié)果真的很令人激動(dòng)?！?/p>

巴德克則表示，兩支團(tuán)隊(duì)運(yùn)用兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法，就可以起到互相檢驗(yàn)的效果，這“絕對(duì)至關(guān)重要”?！拔覠o(wú)法用語(yǔ)言來(lái)表達(dá)我對(duì)這類智慧和毅力的欽佩。這是目前最好的科學(xué)。”

2017年，康奈爾用四氟化鉿分子第一次展示了離子捕獲技術(shù)。之前在康奈爾手下做研究生的坦尼婭 · 羅西（Tanya Roussy）在最近發(fā)表的預(yù)印本論文中介紹說(shuō)，從那以后，技術(shù)上的提升讓科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)超越了ACME的紀(jì)錄，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度提升了2.4倍。不過(guò)，科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)本身拒絕對(duì)此發(fā)表評(píng)論，因?yàn)樗麄冏约旱恼撐恼诮邮堋犊茖W(xué)》雜志的評(píng)審。

以更高的精度探測(cè)電子的圓度，相當(dāng)于在更高的能量尺度上尋找進(jìn)入新物理學(xué)的大門，或是尋找更重粒子的蛛絲馬跡。這類假想中的新粒子對(duì)大約1013電子伏特以上的能量很敏感——比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前可以探測(cè)到的能量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。幾十年前，大多數(shù)理論物理學(xué)家預(yù)計(jì)，在這個(gè)能量尺度上，就可能發(fā)現(xiàn)新粒子的線索。每當(dāng)這個(gè)能量標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)，一些原本被視為正確的觀點(diǎn)就會(huì)受到質(zhì)疑。

拉姆塞-穆索夫說(shuō)：“我們必須不斷努力，弄清這種能量尺度意味著什么。目前一切都還沒(méi)有定論，但這個(gè)領(lǐng)域正在升溫?！?/p>

與此同時(shí)，測(cè)量電子電偶極矩的兩支研究團(tuán)隊(duì)也在繼續(xù)前進(jìn)。雙方的目標(biāo)是在未來(lái)某個(gè)時(shí)間在中間位置匯合：科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃制造一束充滿離子的光束來(lái)增加他們測(cè)量的粒子數(shù)目；而ACME團(tuán)隊(duì)則希望通過(guò)延長(zhǎng)光束以增加他們的測(cè)量時(shí)間。伍薩甚至在研究“一些完全瘋狂”的方法，比如將分子凍結(jié)在冰塊中，以期能再將測(cè)量精度提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

兩支研究團(tuán)隊(duì)的夢(mèng)想是，這些電偶極矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)率先觸摸到通往新物理學(xué)的大門，進(jìn)而推動(dòng)其他精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)和更大粒子對(duì)撞機(jī)的后續(xù)研究。

格雷厄姆說(shuō)：“電子的形狀會(huì)告訴我們有關(guān)自然基本定律的全新知識(shí)。一座巨大的物理學(xué)寶庫(kù)正等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。我樂(lè)觀地認(rèn)為，我們最終會(huì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

資料來(lái)源 Quanta Magazine

本文作者扎克 · 薩維茨基（Zack Savitsky）是一名科學(xué)記者，為《科學(xué)》（Science）、《水星新聞》（The Mercury News）等刊物撰稿