電子太圓了，排除了潛在的新粒子

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，最新的測量結果顯示，電子的電荷分布的確接近完美的圓。

把一個電子想象成一朵帶負電荷的球形云。如果這個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知識框架中的空白，比如：為什么宇宙并非空無一物，而是囊括了一些物質。

考慮到其中的利害關系，在過去的幾十年里，一小群物理學家一直在執著地尋找電子形狀的任何不對稱性。現在的實驗儀器非常靈敏，即便電子有地球那么大，物理學家也能探測到北極地區一個糖分子大小的隆起。

于是，最新的測量結果出來了：電子比這還要圓。

這個結果讓那些希望看到新物理學大門的人失望了，但仍然有助于理論物理學家優化他們的模型，以確定當前理論框架中可能缺失的未知粒子和力。

斯坦福大學理論物理學家彼得 ·格雷厄姆（Peter Graham）說：“我敢肯定，對于一名實驗人員來說，如果他一直什么都測不到，職業生涯一定會很艱難。不過，就電子形狀這個測量實驗來說，即使結果是零，也很有價值，也確實能讓我們收獲重要啟示。這項研究把我們的實驗技術推上頂峰，而這對未來的新物理學也非常重要。”

偷獵大象

粒子物理學標準模型是我們擁有的最棒的花名冊，上面記錄了宇宙這座動物園內存在的所有粒子。加州大學伯克利分校物理學家德米特里 · 巴德克（Dmitry Budker）說，在過去幾十年里，這個理論在實驗測試中表現得異常出色，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準模型并不完備，因為根據這個理論，大爆炸應該產生等量的物質和反物質，它們應該早就相互湮滅了。

1967年，蘇聯物理學家安德烈 ·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）為這個特殊的難題提出了一個可能的解決方案。他推測，在自然界中一定存在著某種不一樣的微觀過程，它的逆向過程無法完全抵消正過程：這樣，物質就可以生長到支配反物質的地位。幾年前，物理學家就在K介子的衰變過程中發現了這類現象。但僅憑這一點還不足以解釋不對稱性。

從那時起，物理學家就一直在尋找可以進一步扭轉這一局面的新粒子的線索。有些研究者采用直截了當的實驗方法，即使用大型強子對撞機——很多人都把它奉為有史以來最復雜的機器。不過，在過去的幾十年里，也出現了一種成本相對較低的替代方案：觀察假想中的粒子如何改變已知粒子的性質。馬薩諸塞大學阿默斯特分校理論物理學家邁克爾 ·拉姆塞-穆索夫（Michael Ramsey-Musolf）說：“你看到了（新物理學的）印跡，但并沒有真正看到制造它們的東西?！?/p>

電子的圓度就是這樣一個潛在的新物理學印跡。量子力學表明，在電子這朵帶負電荷的云中，其他粒子不斷涌現又消失。不在標準模型中的某些“虛”粒子的存在——這類粒子有助于解釋正物質（相對于反物質）為什么會占據主導地位——會使電子云看起來更像雞蛋（沒有那么圓），一端帶更多的正電荷，另一端帶更多的負電荷，就像條形磁鐵的兩端一樣。這種電荷分離的現象叫做電偶極矩（EDM）。

標準模型預言，電子的電偶極矩非常小，大概是目前實驗技術探測極限的百萬分之一。因此，如果研究人員現在通過實驗手段探測到電子的電荷分布更接近長方形，那無疑就打開了一扇通往新物理學的大門，并能指出標準模型缺失的內容。

為了尋找電子的電偶極矩，科學家研究粒子自旋的變化——自旋是粒子的一種內稟屬性，可以借自旋定義粒子的方向。磁場可以輕易扭轉電子的自旋方向，因此，我們可以把電子的磁矩看作某種手柄。而實驗人員的目標則是用電場來扭轉電子自旋方向，也就是把電偶極矩用作電手柄。

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

2011年，倫敦帝國理工學院的研究人員通過實驗證明，將電子錨定在重分子上，就可以放大這種電手柄效應。自那之后，兩支研究電子電荷分布的主要團隊你追我趕、交替領先，每隔幾年就會得到精確度大大提升的測量結果。

目前，美國西北大學正在開展一項名為“先進冷分子電子電偶極矩”（ACME）的實驗。他們的競爭對手則是科羅拉多大學實驗天體物理研究所的一支團隊。在過去的十年里，這兩支相互競爭的實驗團隊測量精度提高了200倍，但仍然沒有探測到電子的電偶極矩。

“這有點像賽跑，只不過我們不知道終點線在哪里，甚至不知道終點線是否存在。”芝加哥大學物理學家、ACME小組的領導人之一大衛 · 德米爾（David DeMille）說。

奔向未知的賽跑

為了在競爭中領先，團隊中的研究人員要做到兩點：更多的測量次數和更長的測量時間。不過，兩支團隊的具體實現方法截然不同。

2018年，ACME團隊率先創造實驗測量精度紀錄，他們的研究方法優先考慮的是測量次數。他們在實驗室中發射一束中性分子，每秒探測數千萬個中性分子，但每次只持續幾毫秒。科羅拉多大學實驗天體物理研究所團隊測量的分子數量較少，但時間更長：他們一次捕獲幾百個分子，然后測量它們，時間長達3秒。

為此，科羅拉多大學實驗天體物理研究所團隊領導人之一、科羅拉多大學博爾德分校物理學家埃里克 · 康奈爾（Eric Cornell）開發了離子捕獲技術。對此，德米爾評價說：“這是一個重大概念突破，這個領域的許多研究人員之前都覺得這個想法很是瘋狂?？吹剿_花結果真的很令人激動?！?/p>

巴德克則表示，兩支團隊運用兩種不同的實驗方法，就可以起到互相檢驗的效果，這“絕對至關重要”?！拔覠o法用語言來表達我對這類智慧和毅力的欽佩。這是目前最好的科學?！?/p>

2017年，康奈爾用四氟化鉿分子第一次展示了離子捕獲技術。之前在康奈爾手下做研究生的坦尼婭 · 羅西（Tanya Roussy）在最近發表的預印本論文中介紹說，從那以后，技術上的提升讓科羅拉多大學團隊超越了ACME的紀錄，把實驗結果精確度提升了2.4倍。不過，科羅拉多大學團隊本身拒絕對此發表評論，因為他們自己的論文正在接受《科學》雜志的評審。

以更高的精度探測電子的圓度，相當于在更高的能量尺度上尋找進入新物理學的大門，或是尋找更重粒子的蛛絲馬跡。這類假想中的新粒子對大約1013電子伏特以上的能量很敏感——比大型強子對撞機目前可以探測到的能量高出一個數量級。幾十年前，大多數理論物理學家預計，在這個能量尺度上，就可能發現新粒子的線索。每當這個能量標準提高時，一些原本被視為正確的觀點就會受到質疑。

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

與此同時，測量電子電偶極矩的兩支研究團隊也在繼續前進。雙方的目標是在未來某個時間在中間位置匯合：科羅拉多大學團隊計劃制造一束充滿離子的光束來增加他們測量的粒子數目；而ACME團隊則希望通過延長光束以增加他們的測量時間。伍薩甚至在研究“一些完全瘋狂”的方法，比如將分子凍結在冰塊中，以期能再將測量精度提升幾個數量級。

兩支研究團隊的夢想是，這些電偶極矩測量實驗率先觸摸到通往新物理學的大門，進而推動其他精密測量實驗和更大粒子對撞機的后續研究。

格雷厄姆說：“電子的形狀會告訴我們有關自然基本定律的全新知識。一座巨大的物理學寶庫正等待我們去發現。我樂觀地認為，我們最終會實現這一目標。”

資料來源 Quanta Magazine

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