Η σχεση της σφαιρικότητας του ηλεκτρονίου με την ύπαρξη νέων σωματιδίων
Αν το φορτίο του ηλεκτρονίου δεν ήταν απόλυτα σφαιρικό, θα μπορούσε να αποκαλύψει την ύπαρξη κρυμμένων σωματιδίων. Νέες μετρήσεις δείχνουν ότι τείνει προς την τέλεια σφαιρικότητα.
Φανταστείτε ένα ηλεκτρόνιο ως ένα σφαιρικό νέφος αρνητικού φορτίου. Αν αυτή η μπάλα ήταν λιγότερο σφαιρική, θα μπορούσαμε να καλύψουμε θεμελιώδη κενά στην κατανόηση της φυσικής, συμπεριλαμβανομένου του γιατί το σύμπαν περιέχει κάτι και όχι τίποτα.
Mια μικρή κοινότητα φυσικών κυνηγούσε επίμονα οποιαδήποτε ασυμμετρία στο σχήμα του ηλεκτρονίου τις τελευταίες δεκαετίες. Τα πρόσφατα πειράματα είναι τόσο ευαίσθητα που αν ένα ηλεκτρόνιο είχε το μέγεθος της Γης, θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ένα εξόγκωμα στον Βόρειο Πόλο με το μέγεθος ενός μορίου σακχάρου. Σύμφωνα με τα τελευταίο πείραμα: Το ηλεκτρόνιο είναι ακόμα πιο σφαιρικό.
Οι νέες μετρήσεις απογοητεύουν όποιον ελπίζει για σημάδια νέας φυσικής. Αλλά δίνει χέρι βοήθειας στους θεωρητικούς φυσικούς ώστε να περιορίσουν τα μοντέλα τους από υποθετικά σωματίδια και δυνάμεις που θα μπορούσαν να υπάρχουν στο σύμπαν μας.
Λαθροθηρία ελεφάντων
Η καθιερωμένη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων (Καθιερωμένο Πρότυπο) περιγράφει όλα τα σωματίδια που υπάρχουν στον ζωολογικό κήπο του σύμπαντος. Η θεωρία συμφωνεί εξαιρετικά με το πείραμα τις τελευταίες δεκαετίες, αλλά αφήνει μερικούς «ελέφαντες στο δωμάτιο», σύμφωνα με τον Dmitry Budker, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Berkeley.
Η ύπαρξή μας και μόνο είναι απόδειξη ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ατελές, αφού σύμφωνα με τη θεωρία, η Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να είχε παράξει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης – και η μία θα είχε εξολοθρεύσει την άλλη.
Το 1967, ο Σοβιετικός φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ πρότεινε μια πιθανή λύση σε αυτό το συγκεκριμένο αίνιγμα. Υπέθεσε ότι πρέπει να υπάρχει κάποια μικροσκοπική διαδικασία στη φύση που φαίνεται διαφορετική αν ιδωθεί αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο, η ύλη θα μπορούσε να κυριαρχήσει στην αντιύλη. Λίγα χρόνια πριν, οι φυσικοί είχαν ανακαλύψει ένα τέτοιο σενάριο στη διάσπαση του καονίου. Αλλά αυτό από μόνο του δεν ήταν αρκετό για να εξηγήσει την ασυμμετρία.
Έκτοτε, οι φυσικοί αναζητούν υπαινιγμούς νέων σωματιδίων που θα μπορούσαν να ανατρέψουν περαιτέρω την κλίμακα. Μερικοί το κάνουν απευθείας, χρησιμοποιώντας τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων – που συχνά διαφημίζεται ως η πιο περίπλοκη μηχανή που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Όμως, τις τελευταίες δεκαετίες, έχει προκύψει μια εναλλακτική λύση σχετικά χαμηλού προϋπολογισμού: διερευνάται πώς τα υποθετικά σωματίδια θα άλλαζαν τις ιδιότητες των γνωστών σωματιδίων. «Βλέπετε ίχνη [της νέας φυσικής], αλλά στην πραγματικότητα δεν βλέπετε αυτό που τα δημιούργησε», λέει ο Michael Ramsey-Musolf, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ. Ένα τέτοιο δυναμικό αποτύπωμα θα μπορούσε να εμφανιστεί στη σφαιρικότητα του ηλεκτρονίου.
Η θεωρία υποδεικνύει ότι μέσα στο νέφος αρνητικού φορτίου του ηλεκτρονίου, «εικονικά» σωματίδια εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς. Η παρουσία ορισμένων εικονικών σωματιδίων πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο – σωματίδια που θα μπορούσαν εξηγήσουν την αρχέγονη επικράτηση της ύλης έναντι της αντιύλης – θα έκανε το νέφος του ηλεκτρονίου να έχει αυγουλοειδές σχήμα. Στο ένα άκρο του θα είχε λίγο περισσότερο θετικό φορτίο και στο άλλο περισσότερο αρνητικό, όπως ένα ηλεκρικό δίπολο. Αυτός ο διαχωρισμός φορτίου περιγράφεται από το φυσικό μέγεθος της ηλεκτρικής διπολικής ροπής.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει μια εξαιρετικά ελάχιστη ηλεκτρική διπολική ροπή για το ηλεκτρόνιο – σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές μικρότερη από εκείνη που μπορούν να ανιχνεύσουν οι τρέχουσες τεχνικές. Έτσι, αν οι ερευνητές εντόπιζαν ένα μακρόστενο σχήμα χρησιμοποιώντας τα σημερινά πειράματα, αυτό θα αποκάλυπτε αναμφίβολα ίχνη νέας φυσικής και θα έδειχνε ότι σίγουρα κάτι λείπει από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Για να ερευνήσουν την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου, οι φυσικοί αναζητούν μια αλλαγή στο σπιν του σωματιδίου. Το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να περιστραφεί εύκολα από μαγνητικά πεδία εξαιτίας της μαγνητικής του ροπής. Ο στόχος αυτών των απλών πειραμάτων είναι να προσπαθήσουν να περιστρέψουν το σπιν χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία εξαιτίας της ηλεκτρικής διπολικής ροπής του ηλεκτρονίου. Αν το ηλεκτρόνιο έχει απόλυτα σφαιρική κατανομή ηλεκτρικού φορτίου, το ηλεκτρικό πεδίο δεν μπορεί να του ασκήσει ροπή και να το περιστρέψει. Αυτό θα συμβεί μόνο στην περίπτωση που υπάρχει ηλεκτρική διπολική ροπή.
Το 2011, ερευνητές στο Imperial College του Λονδίνου έδειξαν ότι θα μπορούσαν να ενισχύσουν την ακρίβεια των πειραμάτων αγκυρώνοντας το ηλεκτρόνιο σε ένα βαρύ μόριο. Έκτοτε, παραγματοποιούνται ολοένα και πιο ακριβείς μετρήσεις, όπως στα πρόσφατα πειράματα στο Πανεπιστήμιο Northwestern (πείραμα ACME=Advanced Cold Molecule Electron, όνομα εμπνευσμένο από τις ιστορίες κιινουμένων σχεδίων Road Runner), και στο ινστιτούτο JILA του Πανεπιστημίου του Κολοράντο. Οι μετρήσεις των ανταγωνιστικών ομάδων παρότι την τελευταία δεκαετία έχουν αυξήσει κατά 200 φορές περισσότερο την ευαισθησία των πειραμάτων, δεν εντόπισαν ίχνος ηλεκτρικής διπολικής ροπής στο ηλεκτρόνιο.
Ένας αγώνας προς το άγνωστο
Για να προχωρήσουν την έρευνά τους οι φυσικοί χρειάζονται δύο πράγματα: περισσότερες μετρήσεις και μεγαλύτερο χρόνο μετρήσεων. Οι δύο ερευνητικές ομάδες ακολουθούν αντίθετες προσεγγίσεις. Η ομάδα ACME, η οποία σημείωσε το προηγούμενο ρεκόρ το 2018, δίνει προτεραιότητα στην ποσότητα των μετρήσεων. Δημιουργούν μια δέσμη ουδέτερων μορίων κατά μήκος του εργαστηρίου διερευνώντας δεκάδες εκατομμύρια από αυτά κάθε δευτερόλεπτο, αλλά μόνο για λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου το καθένα. Η ομάδα JILA μετρά λιγότερα μόρια, αλλά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα: Παγιδεύει μερικές εκατοντάδες μόρια κάθε φορά και στη συνέχεια τα μετράει για έως και τρία δευτερόλεπτα.
Η ανίχνευση της σφαιρικότητας του ηλεκτρονίου με μεγάλη ακρίβεια ισοδυναμεί με την αναζήτηση νέας φυσικής σε υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες ή την αναζήτηση ύπαρξης βαρύτερων σωματιδίων. Η ακρίβεια που επετεύχθη στα πρόσφατα πειράματα ισοδυναμεί με την έρευνα νέων σωματιδίων σε πειράματα επιταχυντών με ενέργεια μεγαλύτερη των 1013 ηλεκτρονιοβόλτ – πάνω από μια τάξη μεγέθους από αυτή που μπορεί να παραγματοποιηθεί στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), μέχρι σήμερα. Πριν από μερικές δεκαετίες, οι περισσότεροι θεωρητικοί περίμεναν ότι θα ανακάλυπταν νέα σωματίδια σε μικρότερες ενέργειες. Κάθε φορά που ανεβαίνει ο πήχης, κάποιες θεωρητικές ιδέες απορρίπτονται.
Οι φυσικοί που μελετούν πειραματικά την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου ελπίζουν στην ανίχνευση κάποιας ελάχιστης παραμόρφωσης στην σφαιρική κατανομή του φορτίου του. Και πιστεύουν ότι θα είναι οι πρώτοι που θα ανακαλύψουν εντελώς νέα και διαφορετικά μονοπάτια προς τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης, προκαλώντας ένα τσουνάμι περαιτέρω ερευνών από άλλα πειράματα.
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε