物理学家以前所未有的细节来模拟电子
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发布时间：2022-11-28 06:41
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时间：2023-10-21 20:23
电子是非常圆的，但是一些物理学家对此并不满意。
研究人员在一项新的研究报告中称，一项新的实验捕捉到迄今为止最详细的电子图像，利用激光揭示粒子周围粒子的证据。通过点燃分子，科学家们能够解释其他亚原子粒子是如何改变电子电荷分布的。
电子的对称圆度表明，看不见的粒子不够大，无法将电子扭曲成压扁的椭圆形。这些发现再次证实了一个长期存在的物理学理论——标准模型，该模型描述了宇宙中粒子和力的行为。
与此同时，这项新发现可能会推翻几种试图填补标准模型无法解释的现象空白的替代物理理论。研究报告的撰写者之一、美国康涅狄格州纽黑文耶鲁大学物理系教授戴维·德米尔说，这可能让一些非常不满的物理学家重新回到了设计阶段。
一个经过良好测试的理论
由于亚原子粒子还不能被直接观察到，科学家们通过间接证据了解这些物体。德米尔说，通过观察负电荷电子周围的真空中发生的事情，研究人员可以建立粒子行为的模型。
标准模型描述了所有物质的组成部分之间的大部分相互作用，以及作用在这些粒子上的力。几十年来，这个理论成功地预测了物质的行为。
然而，对于模型的解释性成功，也有一些恼人的例外。标准模型没有解释暗物质，暗物质是一种神秘且看不见的物质，它会产生引力，但却不会发光。根据欧洲核子研究组织(CERN)的说法，这个模型没有考虑重力以及其他影响物质的基本力。
替代物理理论为标准模型的不足提供了答案。标准模型预测，电子周围的粒子确实会影响电子的形状，但在这样一个无限小的尺度上，使用现有技术几乎无法探测到。但是其他的理论暗示还有尚未发现的重粒子。例如，超对称标准模型假设标准模型中的每个粒子都有一个反物质伙伴。这些假设的重量级粒子将使电子变形到研究人员应该能够观察到的程度，研究者说。
点亮 电子
为了验证这些预测，新的实验以比2014年完成的实验高出10倍的分辨率来观察电子;这两项研究都是由高级冷分子电子电偶极矩(ACME)进行的。
研究人员寻找了一种难以捉摸(且未经证实)的现象，即电偶极矩。在这种现象中，电子的球形形状出现了变形——“一端凹陷，另一端凸起，”德米尔解释说——因为重粒子会影响电子的电荷。
这些粒子将比标准模型预测的粒子“大很多很多个数量级”，“所以这是一种非常清晰的方法来判断在标准模型之外是否有新的东西正在发生，”DeMille说。
在这项新研究中，ACME的研究人员将一束冷氧化钍分子以每脉冲100万次，每秒50次的速度注入哈佛大学一个相对较小的房间。科学家们用激光轰击分子，研究分子反射回来的光，在光线中弯曲会指向电偶极矩。
暗物质的发现
DeMille说，虽然这个实验评估了电子周围的粒子行为，但它也为暗物质的研究提供了重要的启示。像亚原子粒子一样，暗物质也不能被直接观察到。但是天体物理学家知道它的存在，因为他们已经观察到它对恒星、行星和光的引力影响。
戴米勒说:“和我们一样，天体物理学家们也在寻找许多理论预测的中心——很长一段时间，而且理由很充分——信号应该会出现。”“然而，他们什么也没看见。”
暗物质和新的亚原子粒子都没有被标准模型预测到，还没有被直接发现;尽管如此，越来越多令人信服的证据表明这些现象确实存在。但在科学家找到它们之前，一些长期存在的关于它们长什么样的想法可能需要被抛弃，德米尔补充说。
“对新粒子的预期越来越像是他们错了，”他说。
