一项新研究揭示了电子不对称性和物质存在的奥秘

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一项新研究揭示了电子不对称性和物质存在的奥秘

JILA物理学家对一个关键的电子属性进行了破纪录的测量。在我们宇宙的最初时刻，无数的质子、中子和电子与它们的反物质对应物一起形成。随着宇宙的膨胀和冷却，几乎所有这些物质和反物质粒子都相遇并相互湮灭，只留下光子，或光的闪烁。

如果宇宙是完全对称的，物质和反物质的数量相等，故事的结局是我们将永远不会存在。但是一定有一个不平衡--一些剩余的质子、中子和电子--形成了原子、分子、恒星、行星、星系，并最终形成了人。

电子是由负电荷组成的，JILA的科学家们一直试图测量这种电荷在电子的南北两极之间的分布是否均匀。任何不均匀都表明电子不是完美的圆形，而这将是早期宇宙中导致物质存在的不对称的证据。JILA的康奈尔小组研究了分子中的电子在调整其周围的磁场时的表现，以寻找电子的任何位移

"如果宇宙是完全对称的，那么除了光以外就什么都没有了。这是历史上一个极为重要的时刻。突然间，宇宙中出现了一些东西，而问题是，为什么？"NIST/JILA研究员Eric Cornell说。"为什么我们会有这种不对称性？"

解释我们宇宙的数学理论和方程式要求对称性。粒子理论家已经改进了这些理论，以解决不对称性的存在。但如果没有证据，这些理论只是数学，康奈尔解释说，所以包括他在JILA的小组在内的实验物理学家一直在寻找基本粒子，如电子的不对称迹象。

现在，JILA小组对电子进行了破纪录的测量，缩小了对这种不对称性来源的搜索范围。其研究结果已发表在《科学》上。JILA由美国国家标准与技术研究所（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。

寻找不对称性证据的一个地方是电子的电偶极矩（eEDM）。电子是由负电荷组成的，而eEDM表明该电荷在电子的南北两极之间分布的均匀程度。任何高于零的eEDM测量值都将证实存在不对称性；电子将更像蛋形而不是圆形。但是没有人知道这种偏差可能有多小。

"我们需要修正我们的数学，使之更接近现实，"康奈尔在JILA的研究小组的一名研究生谭雅·鲁西说。"我们正在寻找这种不对称性可能存在的地方，这样我们就可以了解它来自哪里。电子是基本粒子，它们的对称性告诉我们关于宇宙的对称性。"

康奈尔、鲁西和他们在NIST和JILA的团队最近创造了精确测量eEDM的记录，比以前的测量结果提高了2.4倍。这有多精确呢？鲁西解释说，如果一个电子有地球那么大，他们的研究发现，任何存在的不对称性都会小于原子的半径。

她补充说，进行如此精确的测量是非常困难的，所以该小组需要聪明一点。研究人员研究了氟化铪的分子。如果他们在分子上施加一个强电场，非圆形的电子就会想与电场对齐，在分子内移动。如果它们是圆的，那么电子就不会移动。

使用紫外激光，他们将电子从分子上剥离，形成一组带正电的离子，并将它们困住。交替使用诱捕器周围的电磁场，分子被迫与电磁场对齐或不对齐。然后，研究人员使用激光来测量两组的能量水平。如果它们之间的能级不同，这将表明电子是不对称的。

他们的实验允许他们比过去的尝试有更长的测量时间，这给了他们更大的敏感性。然而，该小组的测量结果显示，电子没有移动能级，表明就我们目前所能测量到的情况而言，电子是圆形的。

康奈尔指出，不能保证任何人都能找到eEDM的非零测量值，但是这种来自桌面实验的精确程度是一项成就。它表明，昂贵的粒子加速器并不是探索关于宇宙的这些基本问题的唯一手段，有很多途径可以尝试。虽然该小组没有发现不对称性，但其结果将有助于该领域继续寻找早期宇宙不对称性的答案。

"我们发现到我们的测量为止，电子是对称的。如果我们会发现非零，这将是一个大问题，"鲁西补充说。"最好的赌注是让世界各地的科学家团队来研究不同的选项。只要我们都不断地测量真相，最终，有人会发现它。"