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杏耀注册一个小小的电子揭示了宇宙的结构

 
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电子的形状是什么?如果你回想一下高中科学课本上的图片,答案似乎很清楚:电子是一个带负电荷的小球,比原子还小。然而,这与事实相去甚远。
 
电子通常被认为是构成我们周围世界的原子的主要组成部分之一。每个原子的原子核周围的电子决定了化学反应如何进行。它们在工业上的应用是丰富的:从电子和焊接到成像和先进的粒子加速器。然而,最近,杏耀平台一项名为高级冷分子电子EDM (ACME)的物理实验将电子置于科学探究的中心阶段。ACME公司试图解决的问题看似简单:电子的形状是什么?
 
经典和量子形状?
 
据物理学家目前所知,电子没有内部结构,因此在这个词的经典意义上没有形状。在粒子物理学的现代语言中,它处理的是小于原子核的物体的行为,物质的基本块是连续的流体状物质,称为“量子场”,它们渗透到我们周围的整个空间。在这种语言中,电子被理解为“电子场”的量子或粒子。知道了这一点,如果我们不能在显微镜或其他光学设备上直接看到电子的形状,那么讨论它的形状是否有意义呢?
 
为了回答这个问题,我们必须调整我们对形状的定义,这样它就可以在非常小的距离上使用,或者换句话说,在量子物理领域。在我们的宏观世界中看到不同的形状,实际上意味着用我们的眼睛来检测,从我们周围不同物体反射回来的光线。
 
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简单地说,我们通过观察物体在光照下的反应来定义形状。虽然这可能是一种奇怪的思考形状的方式,但它在量子粒子的亚原子世界中变得非常有用。它为我们提供了一种定义电子特性的方法,使它们能够模仿我们在经典世界中描述形状的方式。
 
在微观世界中,是什么取代了形状的概念?由于光只不过是振荡的电场和磁场的组合,因此定义电子的量子特性将是有用的,因为电子的量子特性携带着关于它如何响应外加电场和磁场的信息。做一下。
 
电场和磁场中的电子
 
举个例子,考虑电子最简单的性质:它的电荷。它描述了如果把电子放在某个外部电场中,它所受的力,以及最终的加速度。一个带负电荷的弹珠也会发生类似的反应——因此在基础物理书籍中就有一个电子的“带电球”类比。电子的这种性质——它的电荷——在量子世界中仍然存在。
 
同样地,电子的另一个“存活”特性称为磁偶极矩。它告诉我们电子对磁场的反应。在这方面,电子的行为就像一个小条形磁铁,试图使自己沿着磁场的方向定向。虽然重要的是要记住不要把这些类比做得太过,但它们确实有助于我们理解为什么物理学家对尽可能精确地测量这些量子特性感兴趣。
 
描述电子形状的量子特性是什么?事实上,有几个。对物理学家来说,最简单也是最有用的方法是电偶极矩,简称EDM。
 
在经典物理学中,电火花加工是在电荷空间分离的情况下产生的。一个带电球体,它没有电荷分离,电火花加工为零。但是想象一个哑铃,它的重量是相反的,一边带正电荷,另一边带负电荷。在宏观世界中,这个哑铃会有一个非零的电偶极矩。如果一个物体的形状反映了它的电荷分布,这也意味着这个物体的形状必须不同于球形。因此,EDM会天真地量化宏观对象的“哑铃”。
 
量子世界中的电偶极矩
 
然而,EDM的故事在量子世界中却截然不同。在那里,电子周围的真空不是空的,也不是静止的。相反,它是由各种亚原子粒子组成的,这些粒子在短时间内迅速进入虚拟世界。
 
这些虚拟粒子在电子周围形成“云”。如果我们把光照射到电子上,一些光会从云中的虚拟粒子上反弹回来,而不是电子本身。
这将改变电子的电荷、磁偶极矩和电偶极矩的数值。对这些量子特性进行非常精确的测量,将告诉我们这些难以捉摸的虚粒子与电子相互作用时的行为,以及它们是否改变了电子的电火花加工(EDM)。
 
最有趣的是,在这些虚拟粒子中,可能有一些我们还没有遇到过的未知的新粒子。为了了解它们对电子偶极矩的影响,我们需要将测量结果与目前公认的宇宙理论(标准模型)中计算的电火花加工尺寸的理论预测进行比较。
 
到目前为止,标准模型准确地描述了所有已经进行的实验室测量。然而,它无法解决许多最基本的问题,比如为什么物质在宇宙中占主导地位。标准模型还对电子的EDM进行了预测:它要求EDM非常小, 杏耀平台 ,ACME没有机会测量它。但是如果ACME真的检测到电子偶极矩的非零值会发生什么呢?
 
修补标准模型中的漏洞
 
理论模型的提出弥补了标准模型的不足,预测了新的重粒子的存在。这些模型可能会填补我们对宇宙理解的空白。为了验证这些模型,我们需要证明这些新的重粒子的存在。这可以通过大型实验来实现,比如在国际大型强子对撞机(LHC)的实验中,直接在高能碰撞中产生新的粒子。
 
或者,我们可以看到这些新粒子如何改变“云”中的电荷分布以及它们对电子电火花加工的影响。因此,在ACME实验中对电子偶极矩的明确观察将证明确实存在新的粒子。这就是ACME实验的目标。
 
这就是为什么最近《自然》杂志上一篇关于电子的文章引起了我的注意。像我这样的理论家利用电子电火花的测量结果——以及其他基本粒子的性质测量结果——来帮助识别新的粒子,并预测如何更好地研究它们。这样做是为了阐明这些粒子在我们目前对宇宙的理解中所起的作用。
 
如何测量电偶极矩?我们需要找到一个非常强的电场源来测试电子的反应。这种磁场的一个可能来源可以在分子内部找到,比如一氧化钍。这就是ACME在他们的实验中使用的分子。在这些分子上仔细调谐的激光照射下,杏耀代理只要电子的电偶极矩不太小,就可以得到它的读数。
 
然而,事实证明确实如此。ACME合作项目的物理学家没有观察到电子的电偶极矩,这表明电子的电偶极矩太小,他们的实验仪器无法探测到。这一事实对我们理解未来大型强子对撞机实验的结果具有重要意义。
 
有趣的是,ACME的合作没有观察到EDM,这一事实实际上排除了重粒子的存在,而这些重粒子本可以在大型强子对撞机上最容易检测到。这对于一个桌面大小的实验来说是一个显著的结果,它不仅影响我们如何计划在大型强子对撞机上直接搜索新粒子,还影响我们如何构建描述自然的理论。研究像电子这样小的东西能告诉我们很多关于宇宙的事情,这是相当令人惊奇的。
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