شکل کروی الکترون ، امیدها را برای نظریه های فیزیکی جدید از بین میبرد

[M@hdi42]

شکل کروی الکترون ، امیدها را برای نظریه های فیزیکی جدید از بین میبرد

دقیقترین اندازهگیریهایی که تاکنون در مورد شکل الکترون انجام شده است، تردیدهایی در مورد ایدههایی مانند ابرتقارن بهوجود میآورد؛ نظریهای که مجموعهای از ذرات آشکارسازی نشده را در جهان پیشبینی میکند.

سازهی مشهوری که در سال 1958 برای نمایشگاه جهانی بروکسل ساخته شده است.




دانشمندان به اتفاق آرا معتقدند که نظریهی جاری آنها در مورد فیزیک ناقص است. تاکنون تلاشها برای ایجاد یک نظریهی عمیقتر به نتیجه نرسیده است. در حال حاضر حساسترین آزمایش در مورد شکل الکترون، ویژگیای که میتواند ماهیت فیزیک جدید را افشا کند، در جهت یافتن نشانههایی از هر چیز تازه با شکست مواجه شده است. این یافتهها تعدادی از ایدههای مورد علاقه برای گسترش فیزیک را رد میکند؛ از جمله برخی از نسخههای ایدهی شناخته شدهای مانند «ابرتقارن».


این نتیجه ناشی از جستجوی گشتاور دوقطبی الکتریکی در الکترون است. مثالی آشنا از یک دوقطبی، یک آهنربای میلهای میتواند باشد که شکل آن شبیه دمبلی با قطب شمال و جنوب است. معمولاً الکترونها به صورت کروی در نظر گرفته میشوند، اما اگر دارای گشتاورهای دوقطبی باشند، کمی در وسط فشرده خواهند بود. فیزیک پیشهای به نام جانی هادسون (Jony Hudson) از کالج سلطنتی لندن میگوید: «سوال اینجاست که آیا الکترون متقارن به نظر میرسد و مهم نیست که از چه جهتی به آن نگاه میکنید؟» او میگوید: «گشتاور مغناطیسی، روشی تخصصی برای فیزیک پیشگان است تا توصیف کنند که آیا الکترون متقارن است یا خیر.»




مدل استاندارد فیزیک ذرات که همهی ذرات شناخته شده در جهان را توصیف میکند، عملاً گشتاور مغناطیسی صفر را برای یک الکترون پیشبینی میکند. اما نظریههایی که شامل ذراتِ هنوز آشکارسازی نشده میباشند، گشتاور دوقطبی بسیار بزرگتری را پیشبینی میکنند. فیزیکپیشگان حدود 50 سال در جستجوی این گشتاور دوقطبی بودهاند. اکنون گروهی تحت عنوان همکاری ACME به سرپرستی دیوید دمیل(David DeMille) از دانشگاه ییل (Yale University) و جان دویل(John Doyle) و جرالد گابریلز (Gerald Gabrielse) از دانشگاه هاروارد، آزمایشی با حساسیتی به میزان ده برابر آزمایشهای قبلی انجام دادهاند و هنوز هیچ نشانی از وجود یک گشتاور دوقطبی الکتریکی در الکترون نیافتهاند. بر طبق نتایج این گروه که به سایت پیشچاپarXiv فرستاده شده است، به نظر میرسد که الکترون در فاصلهای کمتر از 10^-29 cm کروی میشود. اد هینز (Ed Hinds) از کالج سلطنتی لندن که با هادسون در بدست آوردن بهترین حدود قبلی در سال 2011 همکاری داشته است، میگوید: «جای تعجب است. چرا این مقدار روی زمین همچنان صفر است؟»


این آزمایشها در حال کاوش طبیعت کوانتومی یک الکترون است. بر طبق مکانیک کوانتومی، همهی ذرات، از جمله الکترونها، موجب میشوند که ابری از ذرات مجازی اطراف آنها تشکیل شود که به طور مداوم به وجود میآید و از بین میرود. اگر این مدل استاندارد درست باشد، این ذرات مجازی، ذراتی معمولی خواهند بود. اما اگر ذراتی نامتعارف در خارج آنجا وجود داشته باشد، در این ابرهای مجازی اطراف الکترونها به طور ناگهانی ظاهر خواهند شد و موجب میشوند که ابر نامتقارن گردد. به عبارتی دیگر موجب ایجاد یک گشتاور دوقطبی الکتریکی میشوند.



پژوهشگران در جستجوی این عدم تقارن، الکترونها را میچرخانند تا بررسی کنند که آنها گرد هستند یا کشیده. در حالی که توپ بیلیارد همواره میچرخد، تخم مرغ تلو تلو میخورد. همین اتفاق برای الکترونی با گشتاور دوقطبی الکتریکی نیز رخ میدهد. گروه ACMEالکترونها را در مولکولهای مونواکسید توریم بررسی کرد که جرم سنگین و ویژگیهای منحصر به فرد آن باعث میشود تا این تلو خوردگی واضحتر شود. هادسون که در آزمایشهای خود از مولکول دیگری به نام فلورید تربیم استفاده کرده است، میگوید: «نوع مولکولی که آنها انتخاب کردهاند، بسیار هوشمندانه است. کمی حسادت میکنم. کاش من نیز به آن فکر کرده بودم.» در نسلهای قبلی آزمایشها به دنبال تاثیر بر اتمهای منفرد بودند که معلوم شد این، کار را بسیار سختتر میکند. پژوهشگران ACME اندازهگیریهای دقیقی با اتکا بر طیفسنج مایکروویو بدست آوردند تا بتوانند متوجه هر لنگی شوند و به سختی تلاش کردند تا نتایج عاری از تاثیر میدانهای مغناطیسی و یا هر گونه آلودگی دیگری باشد که میتواند خطاهای سیستماتیک ایجاد کند.


این نتایج ضربهی قابل توجهی به نظریههای فیزیک جدید میزند؛ به ویژه ابرتقارن که نشان میدهد هر ذرهی شناخته شدهای در جهان، یک ذرهی دوقلوی ابرتقارن دارد که هنوز کشف نشده است. هیندز میگوید: «ابرتقارن بسیار ظریف است و به نوعی بسیار طبیعی احساس میشود به گونهای که بسیاری از مردم شروع به باور آن میکنند.» اما اگر آن وجود داشته باشد، همهی این ذرات دوقلو باید به عنوان فانتومهای مجازی در ابر الکترونی اطراف الکترونها پدیدار شوند و به آن یک گشتاور دوقطبی الکتریکی قابل اندازهگیری دهند. فقدان چنین چیزی تا به حال، ابرتقارن را در وضعیت نسبتاً سختی قرار داده است.


اگرچه برخی از مدلهای اولیهی این نظریه توسط آخرین اندازهگیریها رد شده است، اما مدلهای پیچیدهتری، وجود گشتاور دوقطبی الکتریکی کوچکی را پیشبینی میکنند که میتواند در جستجوهایی که فیزیک پیشگان تاکنون انجام دادهاند، از نظرشان مخفی مانده باشد. ایگن کامینز (Eugene Commins) استاد بازنشستهی فیزیک از دانشگاه کالیفرنیا که آخرین جستجو برای وجود گشتاور دوقطبی در اتمها را انجام داده است، میگوید: «شما میتوانید بیوقفه مدلهایی از ابرتقارن ایجاد کنید. یک نظریهپرداز خوب میتواند مدلی را ظرف مدت نیم ساعت ابداع کند، در حالی که برای یک آزمایشگر حدود 20 سال طول میکشد تا آن را رد کند.»


جستجوی ذرات ابرتقارن یکی از اهداف اصلی برخورد دهندهی هادرونی بزرگ (LHC) است؛ بزرگترین شتاب دهندهی ذرات دنیا که پروتونها را در سرعتهایی نزدیک به سرعت نور در تونلی در زیر فرانسه و سوئیس به هم میکوبد. این شتاب دهنده به اندازهای بزرگ هست که انرژیهایی حدود ترا الکترون ولت را کاوش کند؛ همان محدودهی انرژی که برای پیشبینی ذرات ابرتقارن بکار میرود. تا کنون هیچ نشانهای از وجود ذرات جدیدی دیده نشده است، به جز آخرین قطعهی گم شدهی مدل استاندارد فیزیک ذرات یعنی بوزون هیگز.



منبع: Electron appears spherical, squashing hopes for new physics theories
مرجع: [1310.7534] Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron