科学者がこれまでにないレベルの精度で電子を測定できるようにする新しい実験により、誰もが好む素粒子の量子スケールの構造に関する新たな洞察が得られました。
Nature で 10 月 17 日に発表された研究 Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment (ACME) Search のチームによって実施され、電子場が量子上で非対称であると予測する最近の理論に反して、電子の電場の形状は完全に球形で対称であるという調査結果を報告しています。
新しい発見は、宇宙の素粒子が形状と電荷において完全に対称であると予測する素粒子物理学の標準モデル (SM) をさらに確認するものです。
この実験では、電子双極子モーメントの上限が 1.1×10−29 に設定されています。 e· cm、以前の実験よりもほぼ一桁正確です。言い換えれば、私たちがこれまでに行った電子の最も正確な測定によると、電子はまだ完全に球状に見えます.素粒子物理学における素晴らしい技術的成果であることに加えて、発見は、私たちの知る限り、電子がまだSMの予測に従っていることを確認し、電子の形状の非対称性を予測するSMを超えた理論にいくつかの疑問を投げかけます10−29 での電子電荷 e· cmレベル。
標準モデル、対称性、および電子双極子モーメント
素粒子物理学の標準モデル（SM）は、現代科学の最高の成果です。おそらく歴史上最も確証された単一の科学理論である SM は、宇宙の基本的な構成要素の分類と挙動を理解するための現代科学の最善の努力を表しています。クォーク、ニュートリノ、悪名高いヒッグス粒子などの粒子。
これらの称賛にもかかわらず、SM は不完全なモデルであることが知られています。その主な欠点の 1 つは、重力の基本的な力と、重力が量子粒子に及ぼす影響について説明していないことです。重力と他の 3 つの基本的な力を統合しようとする理論は、量子重力理論と呼ばれます。 SM が沈黙しているもう 1 つの差し迫った問題は、baryogenesis と呼ばれる、宇宙に反物質よりも多くの物質が存在する理由です。 .
宇宙論の基本方程式によれば、ビッグバンで同量の物質と反物質が生成されたはずです。物質と反物質は接触すると互いに完全に消滅するため、同量の物質と反物質が反応して、それらのすべての質量を光子の形でエネルギーに変換する必要があります。もちろん、これは明らかに起こりませんでした。私たちが存在するという単純な事実は、宇宙の始まりに何らかの形で物質が勝利したという証拠です.初期宇宙でなぜ物質が反物質を支配していたのかという問題は、物理学における未解決の大きな問題の 1 つです。
一部の理論家は、反物質よりも物質の方が多いことを説明する非対称メカニズムの可能性を提案しています。現在のところ、そのようなメカニズムはすべて推測にすぎませんが、既知の物理法則に従って動作します。結局のところ、これらの提案されたメカニズムの多くは、電子双極子モーメント (EDM) として知られる電子の電場の形状に非対称性を作り出すことによって、非対称性を明らかにします。したがって、EDM を使用すると、そうでなければ球状の電子の場がわずかに押しつぶされたように見えます。したがって、仮想的な対称性の破れプロセスをテストする 1 つの方法は、電子場の球面形状の収差を探すことです。
EDM の存在を調べるために、研究者チームは、一酸化トリウムのエネルギー構造に対する電子の影響を観察しました。これは、1950 年代にさかのぼる実験で使用されてきた技術です。チームは冷却した酸化トリウム分子の豆を、平均的な机の大きさのチャンバーに発射しました。分子が強力な磁場の存在下で 2 枚の荷電ガラス板の間を移動する際に、チャンバー内に発射された精密なレーザーが分子の方向を定めます。電子によって放出された光を検出するために、他のセンサーがチャンバー内に設置されました。特定の発光は、移動中に電子の向きが変化するかどうかをチームに伝えます。これは、電子球がわずかに押しつぶされた場合に予想されることです。
チームは、観察によると、電子 EDM が 0 であることを発見しました。 .この結果は、しなかったことを意味します 非対称メカニズムを仮定する理論が真実である場合に予想されるように、電子の電場の収縮を観察します。したがって、私たちが知る限り、電子はまだ完全に球形であり、SM は電子の記述においてまだ正しいです。より正確には、チームは電子 EDM の上限が 1.1×10−29 であることを実証することに成功しました。 e· cm、以前に決定された上限 8.7×10−29 の 8 倍の精度 e· cm。この上限は、以前の実験からの情報と、実験設定における既知の不確実性に基づいて計算されました。
この結果はややもろ刃の剣です。一方では、実験はSMのさらなる確認を提供し、実験物理学における記念碑的な技術的成果を表しています。チームは、10 ～ 100 TeV スケールで個々の電子を観測することに成功しました。これは、CERN 粒子加速器で実行された実験に匹敵する素粒子物理学の前例のないレベルの精度です。一方、SM が不完全であることはまだ知られており、この特定の実験は、SM を完成させることを意図したいくつかのもっともらしいモデルを除外しているようです。したがって、実験は、最終的に不適切であることがすでに知られているモデルを確認しているようです。 SM を超えるモデルを提唱する理論家は、おそらくデータに照らして理論を修正するか、データを説明できる別の説明を提案する必要があります。結果がどうなるにせよ、この研究は確かにいくつかの答えを与え、研究のさらなる方向性を示唆しています。
この特定の研究は、ほぼ 70 年前に始まった放電加工機の検索の伝統における最新のものです。この問題についてはさらなる調査が必要であり、ACME のチームは楽観的です。彼らは、数年以内に精度を高め、EDM の上限の測定を再び改善できるはずだと考えています。 SM のテストを継続する唯一の方法は、宇宙の構造をさらに詳しく調査する手順を作成することです。
