电子是什么 电子是构成世界的主要成分之一,它有形状的?
电子是构成我们周围世界的原子的主要成分之一。正是围绕每个原子核的电子决定了化学反应是如何进行的。而在实际应用中,从电子设备、焊接,再到显微成像、粒子加速器等,电子在各个领域中都有着非常广泛的应用。
最近,一个由美国多所大学合作进行的物理实验,名称为“高级冷分子电子电偶极矩”(简称为ACME),其实验设备只有桌子大小,再次把小小的电子置于科学研究的最前沿,并试图通过检测电子的“形状”来寻找新的粒子。
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电子真的是有形状的?这跟新的粒子有什么关系?下面我们就来探讨一下。
经典的形状和量子的形状
电子是什么形状的?如果你回忆起高中教科书中的图片,答案似乎很清楚:电子是一个比原子小的带负电荷的小球。然而,这与事实相差甚远。
基本粒子,没有任何内部结构的,因此“形状”这个词语对于电子来说没有意义。要想让“形状”对电子来说有意义,我们必须调整对“形状”的定义,以便它可以在量子世界里使用。
在我们的宏观世界中,看到各种各样的形状,实际上意味着我们用眼睛探测到了来自周围物体反射回来的光线,而光线只不过是一种电磁波,换句话说,形状其实是物体在电磁场的作用下的一种反应。我们可以把“形状”这个概念扩大化,把能描述在任何电磁场下反应的属性,都看成“形状”。
尽管这可能是一种很奇怪的描述“形状”的方式,但因为关于电子的许多属性,包括电荷、自旋等,都能描述它在电磁场的作用下会发生何种反应。也许,我们可以把其中的某个属性当作电子的“形状”。那么,哪种属性最适合当作电子的“形状”呢?物理学家选择的属性是电偶极矩。
电子的电偶极矩
在经典物理学中,电偶极矩是一种衡量一个系统中正电荷与负电荷分布情况的物理量。如果正电荷分布与负电荷分布出现分离,那么电偶极矩就不再为零。例如,一个均匀带电的球体没有正负电荷分离,其电偶极矩为零。但是想象一个哑铃,它的一边带正电,另一边带负电,那么这个哑铃有一个非零的电偶极矩。除了电荷以外,电偶极矩的多少也决定了这个系统如何响应外加电场。
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对于宏观物体来说,正负电荷的分布通常与物体的形状存在一定的联系。对于电子来说,它没有真正意义上的形状,但为了理解它的电偶极矩,物理学家通常设想它有某种形状。比如,如果电子的电偶极矩为零,我们就把它看作均匀带电的球体;如果电偶极矩有一定的值,那么电子就如同一个哑铃,数值越大,“哑铃”的柄越长。所以,物理学家就干脆把电偶极矩当作衡量电子“形状”的物理量。
电子周围的“云雾”
想要检测电子的电偶极矩也很简单,只需检测电子在外加电场的行为即可。然而,检测微观粒子的电偶极矩并不是那么简单的事情。因为在量子世界中,真空不是真正的空无一物。相反,它里面含有无数个转瞬即逝的虚粒子。
这些虚粒子,一些可能会携带电荷,也有着自己的电偶极矩。这样,在电子周围一定范围内的虚粒子就像一团“云”一样,会影响到电子电偶极矩的检测数值。
当前描述微观粒子最好的物理理论,即标准模型,考虑了所有可能出现在真空的虚粒子,对我们电子的电偶极矩做出了预测:电子的电偶极矩非常小,以至于当前的实验设施没有机会测量到它。但是,如果ACME真的检测到电子的电偶极矩,这意味着什么呢?
这意味着电子电偶极矩的检测值被放大了。那么是什么因素把电子电偶极矩的检测值放大了呢?科学家猜想,可能是电子周围的“云”中,有着某些标准模型没有预言出的未知粒子,正是这些未知粒子提高了电子电偶极矩的检测值。而通过检测电子的电偶极矩来寻找未知粒子,就是ACME实验的真正目标。
寻找未知的粒子
在粒子物理学中,还存在许多待解决的问题,比如暗物质是由什么粒子构成的,整个宇宙为什么是粒子而不是反粒子占主导地位,等等。这些问题,标准模型都无法回答。对此,物理学家提出了很多个新的理论,这些新的理论还预言了许多新的粒子。为了验证这些新理论,我们需要检验这些新预言的粒子是否真的存在。这可以通过大型实验设备来实现,例如可以尝试使用大型强子对撞机让质子以极高的速度发生碰撞,来产生这些新的粒子。
现在我们又多了一种方法:即我们可以去检测电子周围的“云”以及它们对电子电偶极矩的影响来找到新粒子。在ACME实验中,对电子的电偶极矩进行精确的测量,如果检测到电偶极矩,那么这将证明有新的未知粒子的存在,物理学家还可以推出这种未知粒子的一些属性。
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如何测量电子的电偶极矩?我们需要找到一个非常强的电场来测试一个电子的反应。这种电场可以在诸如一氧化钍的分子内找到。一氧化钍分子中两个原子之间形成的共价键很强,产生的电场是已知的最强分子内的电场。一氧化钍就是ACME在实验中使用的分子,物理学家只需通过检测处于一氧化钍分子内的电子的反应,来推算电子的电偶极矩。
然而,实验结果却是,ACME的物理学家没有检测到电子的电偶极矩,这表明它的值太小,目前的实验仪器无法检测到。尽管如此,实验结果仍具有重要的意义。没有检测到电子的电偶极矩,这直接排除了许多理论中预言的粒子,物理学家可以根据这个完善当前的理论或提出新的理论。此外,这个结果还能指导我们如何利用大型强子对撞机搜寻新的粒子。