電子がどのくらい丸いかを測定することになると、物理学者は不確実性を嫌います。主要な科学的パズルに対する潜在的な答えを含め、可能な限り最も正確な測定に大きく依存しています:なぜ宇宙には物質が含まれているのか.
過去 30 年間の一連のより敏感な実験で、研究者は、電子の形状に少しでも歪みがあるとすれば、膨らみは 1 千兆兆分の 1 ミリ (10 mm) よりも小さくなければならないことを立証しました。現在、コロラド州ボールダーにある JILA 研究所のグループは、より大きな荷電粒子内の電子を調べる「根本的に異なる」アプローチと説明するものを実証しました。インペリアル カレッジ ロンドンの Ed Hinds 氏は、このアプローチをこの分野で「素晴らしい」と呼んでいます。なぜなら、このアプローチは、不確実性をさらに軽減するのに役立ち、実際の歪みを明らかにする可能性があるからです。
電子の卵の形が本当なら、電気双極子モーメント (EDM) として知られているものによって定量化されます。科学者は通常、電子を、無限ではないにしても非常に小さく均一な負電荷の球体と考えていますが、EDM がゼロでない場合は、電荷が不均一に分布していることを意味します。つまり、粒子の平均電荷よりもわずかに負の領域が 1 つ形成され、負電荷がわずかに小さい領域が 1 つ形成されます。 .
この小さな空間的非対称性は、時間が進むか戻るかに関係なく、すべての物理プロセスが同じように見えるという考えに矛盾するため、広範囲に影響を与える可能性があります。時間の逆転は、電子の別の特性である磁気スピンの方向を反転させますが、EDM には影響を与えず、2 つの関係を変化させます。時間反転対称性のこの破綻は、粒子物理学者の最も単純な粒子と力のモデルに「穴をあける」だろう、と Hinds は言う。代わりに、これまでに見られたものよりも多くの基本的な粒子が自然界に含まれているモデルが必要になるだろう、と彼は付け加えた.それはまた、物質と反物質の間の基本的な非対称性を暗示しており、ビッグバンでそれぞれが同量生成されたはずなのに、今日の宇宙が反物質よりもはるかに多くの物質を含んでいる理由を説明するのにある程度役立つでしょう.
ステート カレッジのペンシルバニア州立大学 (ペンシルベニア州立大学) の原子物理学者である David Weiss によると、宇宙物質の過剰は、電子の EDM が存在する可能性が「非常に高い」ことを意味します。また、EDM のサイズは不明のままですが、最も一般的な理論では、検出できるほど大きいと予測されています。
EDM は電場に置くと電子 (より正確にはそのスピン軸) を回転させるため、原理的には正と負の電極の間に電子を突き刺すだけでそれが明らかになるはずです。しかし、結果として生じる回転力は非常に弱く、電子が正電極に衝突する前にほとんど回転し始めることができないほど弱い.科学者は通常、特定の中性原子や分子内の電子を研究することで、この問題を回避します。この電子では、外部フィールドよりもはるかに強力な内部フィールドが誘導されます。研究者は、これらの原子または分子のビームを調べて、特定の電子がゆらぐ、または歳差運動の兆候、つまり EDM の証拠を探します。しかし、ビームの動きによって測定時間が制限されます。
最新の研究では、Physical Review Letters で報告されています 今月、エリック コーネルと JILA の同僚は、大胆な代替手段を選択しました。中性粒子のビームをプロービングする代わりに、フッ化ハフニウムの分子イオンを回転電場に閉じ込めます。これにより、イオンは飛び去るのではなく、小さな円を描くようになります。この円運動に関連するいくつかの技術的ハードルを克服した後、彼らは 0.7 秒にわたって電子のスピンの歳差運動を追跡しました。これは、以前のビームで可能だった時間の約 1000 倍の長さであり、より高い感度への道を開くはずです。
コーネルのグループは、グループ化されたイオンが互いのスピンを妨害し、トラップが含むことができる数を制限するため、電子の球形度の既存の最良の測定値をまだ改善していません.チームの上限である 1.3 × 10 cm は、2014 年にハーバード大学とイェール大学で ACME の共同研究によって設定された、分子線で設定された現在の最良の限界よりも約 1.5 倍高い (ハーバード大学の Gerald Gabrielse によると、ACME チームは来年までに不確実性をさらに 20 分の 1 に減らします。)
しかし、先月、JILA グループは、より多くのイオンを同時にトラップするために、より高い電場を使用した新しいバージョンの実験を開始しました。他の「ニッケルとダイム」の改善と組み合わせると、コーネル氏は、これにより今後数年間で感度が約 10 倍向上する可能性があると述べています。最終的にはフッ化トリウムの使用を開始する予定であり、これはフッ化ハフニウムよりも測定が困難ですが、安定性が高いため歳差運動時間がさらに長くなります.
他のグループは、感度を高める可能性のある新しい測定戦略を展開しています。ペンシルベニア州立大学の Weiss と同僚は、電場ではなくレーザーでトラップを作成することにより、ACME の結果を 30 倍改善することを目指しています。彼らは、低温の中性セシウム原子を数秒間閉じ込めて測定したいと考えています。一方、インペリアル カレッジの物理学者は、レーザーで冷却されたフッ化イッテルビウム分子の噴水を研究したいと考えています。これにより、今後 5 年間で 1000 倍の増加が得られる可能性があります。その感度レベルで非対称性が見られない場合、チームリーダーの Hinds は、電子 EDM を予測する「全範囲の理論を除外する」ことができるはずだと述べています。しかし、それは「理論家が新しいアイデアを思い付くのを止めることはありません」と彼は付け加えます。
