Wat is de vorm van een elektron? Als je je foto's herinnert uit je wetenschappelijke boeken op de middelbare school, het antwoord lijkt vrij duidelijk:een elektron is een klein balletje met negatieve lading dat kleiner is dan een atoom. Dit, echter, is vrij ver van de waarheid.

Het elektron is algemeen bekend als een van de belangrijkste componenten van atomen die de wereld om ons heen vormen. Het zijn de elektronen die de kern van elk atoom omringen die bepalen hoe chemische reacties verlopen. Ze worden veelvuldig in de industrie gebruikt:van elektronica en lassen tot beeldvorming en geavanceerde deeltjesversnellers. Onlangs, echter, een natuurkundig experiment genaamd Advanced Cold Molecule Electron EDM (ACME) plaatste een elektron in het middelpunt van wetenschappelijk onderzoek. De vraag die de ACME-samenwerking probeerde aan te pakken, was bedrieglijk eenvoudig:wat is de vorm van een elektron?

Klassieke en kwantumvormen?

Voor zover natuurkundigen nu weten, elektronen hebben geen interne structuur – en dus geen vorm in de klassieke betekenis van dit woord. In de moderne taal van de deeltjesfysica, die het gedrag van objecten kleiner dan een atoomkern aanpakt, de fundamentele blokken van materie zijn continue vloeistofachtige substanties die bekend staan ​​als 'kwantumvelden' en die de hele ruimte om ons heen doordringen. In deze taal, een elektron wordt gezien als een kwantum, of een deeltje, van het "elektronenveld". Dit wetende, heeft het zelfs zin om over de vorm van een elektron te praten als we het niet rechtstreeks in een microscoop kunnen zien - of een ander optisch apparaat trouwens?

Om deze vraag te beantwoorden, moeten we onze definitie van vorm aanpassen, zodat deze op ongelooflijk kleine afstanden kan worden gebruikt. of met andere woorden, op het gebied van kwantumfysica. Het zien van verschillende vormen in onze macroscopische wereld betekent echt detecteren, met onze ogen, de lichtstralen weerkaatsen op verschillende objecten om ons heen.

Simpel gezegd, we definiëren vormen door te zien hoe objecten reageren als we er licht op schijnen. Hoewel dit misschien een rare manier is om over de vormen na te denken, het wordt erg nuttig in de subatomaire wereld van kwantumdeeltjes. Het geeft ons een manier om de eigenschappen van een elektron zo te definiëren dat ze nabootsen hoe we vormen in de klassieke wereld beschrijven.

Wat vervangt het concept van vorm in de microwereld? Aangezien licht niets anders is dan een combinatie van oscillerende elektrische en magnetische velden, het zou nuttig zijn om kwantumeigenschappen van een elektron te definiëren die informatie bevatten over hoe het reageert op aangelegde elektrische en magnetische velden. Laten we dat doen.

Elektronen in elektrische en magnetische velden

Als voorbeeld, overweeg de eenvoudigste eigenschap van een elektron:zijn elektrische lading. Het beschrijft de kracht - en uiteindelijk, de versnelling die het elektron zou ervaren - indien geplaatst in een extern elektrisch veld. Een soortgelijke reactie zou worden verwacht van een negatief geladen knikker - vandaar de "geladen bal"-analogie van een elektron die in boeken over elementaire fysica staat. Deze eigenschap van een elektron – zijn lading – overleeft in de kwantumwereld.

Hetzelfde, een andere "overlevende" eigenschap van een elektron wordt het magnetische dipoolmoment genoemd. Het vertelt ons hoe een elektron zou reageren op een magnetisch veld. In dit opzicht, een elektron gedraagt ​​zich net als een kleine staafmagneet, probeert zich te oriënteren in de richting van het magnetische veld. Hoewel het belangrijk is om te onthouden om die analogieën niet te ver door te drijven, ze helpen ons wel te begrijpen waarom natuurkundigen geïnteresseerd zijn in het zo nauwkeurig mogelijk meten van die kwantumeigenschappen.

Welke kwantumeigenschap beschrijft de vorm van het elektron? Er zijn, in feite, meerdere van hen. Het eenvoudigste - en het nuttigst voor natuurkundigen - is het moment dat het elektrische dipoolmoment wordt genoemd, of EDM.

In de klassieke natuurkunde EDM ontstaat wanneer er sprake is van een ruimtelijke scheiding van ladingen. Een elektrisch geladen bol, die geen scheiding van kosten kent, heeft een EDM van nul. Maar stel je een halter voor waarvan de gewichten tegengesteld zijn geladen, met de ene kant positief en de andere negatief. In de macroscopische wereld deze halter zou een elektrisch dipoolmoment hebben dat niet nul is. Als de vorm van een object de verdeling van zijn elektrische lading weerspiegelt, het zou ook impliceren dat de vorm van het object anders zou moeten zijn dan bolvormig. Dus, naief, de EDM zou de "domheid" van een macroscopisch object kwantificeren.

Elektrisch dipoolmoment in de kwantumwereld

Het verhaal van EDM, echter, is heel anders in de kwantumwereld. Daar is het vacuüm rond een elektron niet leeg en stil. Het wordt eerder bevolkt door verschillende subatomaire deeltjes die voor korte tijd in virtueel bestaan ​​zappen.

Deze virtuele deeltjes vormen een "wolk" rond een elektron. Als we licht op het elektron laten schijnen, een deel van het licht zou kunnen weerkaatsen op de virtuele deeltjes in de wolk in plaats van op het elektron zelf.

Dit zou de numerieke waarden van de lading van het elektron en magnetische en elektrische dipoolmomenten veranderen. Het uitvoeren van zeer nauwkeurige metingen van die kwantumeigenschappen zou ons vertellen hoe deze ongrijpbare virtuele deeltjes zich gedragen wanneer ze interageren met het elektron en of ze de EDM van het elektron veranderen.

Meest intrigerende, onder die virtuele deeltjes kunnen nieuwe, onbekende soorten deeltjes die we nog niet zijn tegengekomen. Om hun effect op het elektrische dipoolmoment van het elektron te zien, we moeten het resultaat van de meting vergelijken met theoretische voorspellingen van de grootte van de EDM berekend in de momenteel geaccepteerde theorie van het heelal, het standaardmodel.

Tot dusver, het Standaardmodel beschreef nauwkeurig alle laboratoriummetingen die ooit zijn uitgevoerd. Nog, het is niet in staat om veel van de meest fundamentele vragen te beantwoorden, zoals waarom materie domineert over antimaterie in het hele universum. Het standaardmodel maakt ook een voorspelling voor de EDM van het elektron:het vereist dat het zo klein is dat ACME geen kans zou hebben gehad om het te meten. Maar wat zou er zijn gebeurd als ACME daadwerkelijk een niet-nulwaarde zou detecteren voor het elektrische dipoolmoment van het elektron?

De gaten in het standaardmodel patchen

Er zijn theoretische modellen voorgesteld die tekortkomingen van het standaardmodel verhelpen, het bestaan ​​van nieuwe zware deeltjes voorspellen. Deze modellen kunnen de hiaten in ons begrip van het universum opvullen. Om dergelijke modellen te verifiëren, moeten we het bestaan ​​van die nieuwe zware deeltjes bewijzen. Dit kan door middel van grote experimenten, zoals die bij de internationale Large Hadron Collider (LHC) door direct nieuwe deeltjes te produceren bij hoogenergetische botsingen.

Alternatief, we konden zien hoe die nieuwe deeltjes de ladingsverdeling in de "wolk" en hun effect op het EDM van elektronen veranderen. Dus, ondubbelzinnige observatie van het dipoolmoment van elektronen in het ACME-experiment zou bewijzen dat er inderdaad nieuwe deeltjes aanwezig zijn. Dat was het doel van het ACME-experiment.

Dit is de reden waarom een ​​recent artikel in Nature over het elektron mijn aandacht trok. Theoretici zoals ik gebruiken de resultaten van de metingen van EDM van elektronen – samen met andere metingen van eigenschappen van andere elementaire deeltjes – om de nieuwe deeltjes te helpen identificeren en voorspellingen te doen over hoe ze beter kunnen worden bestudeerd. Dit wordt gedaan om de rol van dergelijke deeltjes in ons huidige begrip van het universum te verduidelijken.

Wat moet er worden gedaan om het elektrische dipoolmoment te meten? We moeten een bron met een zeer sterk elektrisch veld vinden om de reactie van een elektron te testen. Een mogelijke bron van dergelijke velden is te vinden in moleculen zoals thoriummonoxide. Dit is het molecuul dat ACME in hun experiment gebruikte. Zorgvuldig afgestemde lasers schijnen op deze moleculen, een aflezing van het elektrische dipoolmoment van een elektron kan worden verkregen, mits het niet te klein is.

Echter, zoals het bleek, het is. Natuurkundigen van de ACME-samenwerking hebben het elektrische dipoolmoment van een elektron niet waargenomen - wat suggereert dat de waarde ervan te klein is voor hun experimentele apparaat om te detecteren. Dit feit heeft belangrijke implicaties voor ons begrip van wat we in de toekomst van de Large Hadron Collider-experimenten kunnen verwachten.

interessant, het feit dat de ACME-samenwerking geen EDM heeft waargenomen, sluit het bestaan ​​​​van zware nieuwe deeltjes uit die het gemakkelijkst te detecteren waren bij de LHC. Dit is een opmerkelijk resultaat voor een experiment ter grootte van een tafelblad dat van invloed is op zowel hoe we directe zoekopdrachten naar nieuwe deeltjes bij de gigantische Large Hadron Collider zouden plannen, en hoe we theorieën construeren die de natuur beschrijven. Het is verbazingwekkend dat het bestuderen van iets zo klein als een elektron ons veel over het universum kan vertellen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.