Νέα δοκιμή στρογγυλότητας ηλεκτρονίων θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της ανισορροπίας ύλης/αντιύλης του σύμπαντος

Όταν πρόκειται για τη μέτρηση του πόσο στρογγυλό είναι το ηλεκτρόνιο, οι φυσικοί μισούν την αβεβαιότητα. Πολλά εξαρτώνται από την πιο ακριβή δυνατή μέτρηση, συμπεριλαμβανομένης μιας πιθανής απάντησης σε ένα σημαντικό επιστημονικό παζλ:γιατί το σύμπαν περιέχει οποιαδήποτε ύλη.

Σε μια σειρά από όλο και πιο ευαίσθητα πειράματα τα τελευταία 30 χρόνια, οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι εάν το σχήμα του ηλεκτρονίου έχει οποιαδήποτε παραμόρφωση, η διόγκωση πρέπει να είναι μικρότερη από 1.000 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια του χιλιοστού (10 mm). Τώρα, μια ομάδα στο ερευνητικό ινστιτούτο JILA στο Boulder του Κολοράντο, απέδειξε αυτό που περιγράφει ως μια «ριζικά διαφορετική» προσέγγιση που ανιχνεύει ηλεκτρόνια μέσα σε μεγαλύτερα φορτισμένα σωματίδια. Ο Ed Hinds του Imperial College του Λονδίνου αποκαλεί την προσέγγιση "λαμπρή" για το πεδίο, επειδή υπόσχεται να συμβάλει στη μείωση της αβεβαιότητας ακόμη περισσότερο — και ίσως να αποκαλύψει μια πραγματική παραμόρφωση.

Το σχήμα του αυγού του ηλεκτρονίου, εάν είναι πραγματικό, θα ποσοτικοποιηθεί με αυτό που είναι γνωστό ως ηλεκτρική διπολική ροπή (EDM). Ενώ οι επιστήμονες συνήθως σκέφτονται το ηλεκτρόνιο ως μια εξαιρετικά, αν όχι άπειρη, μικρή και ομοιόμορφη σφαίρα αρνητικού φορτίου, ένα μη μηδενικό EDM θα σήμαινε ότι το φορτίο κατανέμεται άνισα - σχηματίζοντας μια περιοχή κλασματικά πιο αρνητική από το μέσο φορτίο του σωματιδίου και μια ελαφρώς λιγότερο αρνητική .

Αυτή η μικροσκοπική χωρική ασυμμετρία θα είχε εκτεταμένες επιπτώσεις, επειδή θα αντέβαινε στην ιδέα ότι όλες οι φυσικές διεργασίες φαίνονται το ίδιο είτε ο χρόνος τρέχει προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω. Ενώ η χρονική αντιστροφή θα ανατρέψει την κατεύθυνση μιας άλλης ιδιότητας του ηλεκτρονίου, του μαγνητικού σπιν του, θα άφηνε ανεπηρέαστο οποιοδήποτε EDM, αλλάζοντας τη σχέση μεταξύ των δύο. Αυτή η διάσπαση στη συμμετρία χρονικής αντιστροφής, με τη σειρά της, θα «άνοιξε μια τρύπα» στο απλούστερο μοντέλο σωματιδίων και δυνάμεων των φυσικών σωματιδίων, λέει ο Hinds. Αντίθετα, προσθέτει, θα απαιτούσε ένα μοντέλο στο οποίο η φύση περιέχει πολλά περισσότερα θεμελιώδη σωματίδια από όσα έχουν δει μέχρι σήμερα. Θα συνεπαγόταν επίσης μια θεμελιώδη ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύμπαν σήμερα περιέχει πολύ περισσότερη ύλη από την αντιύλη, παρόλο που ίσες ποσότητες καθεμίας θα έπρεπε να είχαν γίνει στη Μεγάλη Έκρηξη.

Σύμφωνα με τον David Weiss, έναν ατομικό φυσικό στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια (Penn State) στο State College, η περίσσεια της κοσμικής ύλης υποδηλώνει ότι το EDM του ηλεκτρονίου είναι «πολύ πιθανό» να υπάρχει. Και παρόλο που το μέγεθος του EDM παραμένει άγνωστο, οι πιο δημοφιλείς θεωρίες προβλέπουν ότι είναι αρκετά μεγάλο για να ανιχνευθεί.

Επειδή ένα EDM θα προκαλούσε ένα ηλεκτρόνιο - ή, πιο συγκεκριμένα, τον άξονα σπιν του - να περιστραφεί όταν τοποθετηθεί σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, απλά κολλώντας ένα ηλεκτρόνιο μεταξύ θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων θα πρέπει κατ' αρχήν να το αποκαλύψει. Αλλά η προκύπτουσα περιστροφική δύναμη θα ήταν εξαιρετικά αδύναμη - τόσο αδύναμη που το ηλεκτρόνιο μετά βίας θα άρχιζε να στρέφεται προτού συντριβεί στο θετικό ηλεκτρόδιο. Οι επιστήμονες συνήθως ξεπερνούν αυτό το πρόβλημα μελετώντας ηλεκτρόνια μέσα σε ορισμένα ουδέτερα άτομα και μόρια, στα οποία μπορούν να προκληθούν εσωτερικά πεδία πολύ ισχυρότερα από οποιοδήποτε εξωτερικό πεδίο. Οι ερευνητές διερευνούν τις δέσμες αυτών των ατόμων ή μορίων για ενδείξεις ότι ορισμένα ηλεκτρόνια ταλαντεύονται ή προηγούνται - απόδειξη ενός EDM. Αλλά η κίνηση μιας δέσμης περιορίζει το χρόνο μέτρησης.

Στην πιο πρόσφατη εργασία, που αναφέρεται στο Physical Review Letters αυτόν τον μήνα, ο Eric Cornell και οι συνεργάτες του στο JILA επιλέγουν μια τολμηρή εναλλακτική. Αντί να διερευνήσουν μια δέσμη ουδέτερων σωματιδίων, περιορίζουν μοριακά ιόντα φθοριούχου αφνίου σε ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αναγκάζει τα ιόντα να χαράξουν μικρούς κύκλους αντί να πετάξουν μακριά. Αφού ξεπέρασαν μερικά τεχνικά εμπόδια που σχετίζονται με αυτήν την κυκλική κίνηση, παρακολούθησαν τη μετάπτωση σπιν των ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια 0,7 δευτερολέπτων—περίπου 1000 φορές περισσότερο από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατό με τις δέσμες, κάτι που θα ανοίξει το δρόμο για μεγαλύτερη ευαισθησία.

Η ομάδα του Cornell δεν έχει ακόμη βελτιωθεί στην καλύτερη υπάρχουσα μέτρηση της σφαιρικότητας του ηλεκτρονίου, επειδή τα ομαδοποιημένα ιόντα διαταράσσουν το ένα το σπιν του άλλου και περιορίζουν τον αριθμό που μπορεί να περιέχει η παγίδα. Το ανώτερο όριο των 1,3 × 10 εκατοστών της ομάδας είναι περίπου 1,5 φορές υψηλότερο από το τρέχον καλύτερο όριο που έχει οριστεί με μοριακές δέσμες, από τη συνεργασία ACME στα πανεπιστήμια του Χάρβαρντ και του Γέιλ το 2014. (Ο Gerald Gabrielse του Χάρβαρντ λέει ότι μέχρι το επόμενο έτος, η ομάδα ACME θα μπορούσε μειώστε την αβεβαιότητα κατά έναν επιπλέον παράγοντα 20.)

Τον περασμένο μήνα, ωστόσο, η ομάδα JILA ξεκίνησε μια νέα έκδοση του πειράματός της με υψηλότερα ηλεκτρικά πεδία, προκειμένου να παγιδεύσει περισσότερα ιόντα ταυτόχρονα. Σε συνδυασμό με άλλες βελτιώσεις "νικελίου και δεκάρας", ο Cornell λέει ότι αυτό θα μπορούσε να ενισχύσει την ευαισθησία κατά περίπου έναν παράγοντα 10 τα επόμενα δύο χρόνια. Τελικά, προσθέτει, η ομάδα σχεδιάζει να αρχίσει να χρησιμοποιεί φθοριούχο θόριο, το οποίο είναι πιο δύσκολο να μετρηθεί από το φθοριούχο άφνιο, αλλά του οποίου η μεγαλύτερη σταθερότητα προσφέρει ακόμη μεγαλύτερους χρόνους μετάπτωσης.

Άλλες ομάδες αναπτύσσουν νέες στρατηγικές μέτρησης που θα μπορούσαν επίσης να αυξήσουν την ευαισθησία. Ο Weiss και οι συνεργάτες του στο Penn State στοχεύουν σε 30πλάσια βελτίωση σε σχέση με το αποτέλεσμα ACME δημιουργώντας μια παγίδα με λέιζερ και όχι ηλεκτρικά πεδία. Ελπίζουν να περιορίσουν και να μετρήσουν ψυχρά ουδέτερα άτομα καισίου για αρκετά δευτερόλεπτα. Οι φυσικοί στο Imperial College, εν τω μεταξύ, ελπίζουν να μελετήσουν ένα σιντριβάνι μορίων φθοριούχου υττερβίου που ψύχονται με λέιζερ, τα οποία θα μπορούσαν να αποδώσουν 1000 φορές αύξηση στα επόμενα 5 χρόνια. Εάν δεν εμφανιστεί ασυμμετρία σε αυτό το επίπεδο ευαισθησίας, λέει ο αρχηγός της ομάδας Hinds, η ομάδα θα πρέπει να είναι σε θέση να «αποκλείσει μια ολόκληρη σειρά θεωριών» που να προβλέπουν έναν EDM ηλεκτρονίων. Αλλά αυτό, προσθέτει, «δεν θα εμποδίσει τους θεωρητικούς από το να έχουν νέες ιδέες».