Идеальная «округлость» электрона только что была подтверждена беспрецедентно точным измерением. Хотя это ожидалось, это измерение поднимает новые вопросы об асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Последствия этого исследования весьма значительны, поскольку в конечном итоге они могут помочь нам понять, почему во Вселенной преобладает материя, а не антиматерия.
В бесконечно малом мире квантовой физики важна каждая частица и каждое взаимодействие. Электроны, вездесущие субатомные частицы, лежат в основе нашего понимания Вселенной. Их поведение и характеристики изучаются с особой точностью, поскольку они могут содержать подсказки к некоторым величайшим загадкам физики. Одной из таких тайн является асимметрия материи и антиматерии во Вселенной — загадка, которая не дает покоя ученым уже несколько десятилетий.
Всегда считалось, что электрон имеет идеально круглую форму. Однако последние измерения подтвердили эту округлость с рекордной точностью, погрузив физиков в еще более глубокую загадку. Почему эта округлость так важна? Последствия этого исследования, проведенного международной группой ученых под руководством доктора Джейкоба Бэрона из Национального института стандартов и технологий (NIST) в США, огромны, поскольку в конечном итоге они могут помочь нам понять, почему во Вселенной преобладает материя, а не антиматерия. Работа команды опубликована в журнале .
Асимметрия материи и антиматерии: неугасающая загадка
Согласно современным космологическим теориям, Большой взрыв, первобытный взрыв, в результате которого возникла Вселенная, какой мы ее знаем, должен был породить равное количество материи и антиматерии. Антиматерия — это, в некотором смысле, отражение материи: каждая частица материи имеет соответствующую частицу антиматерии с противоположным зарядом. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют друг с другом, выделяя энергию.
Однако то, что мы наблюдаем во Вселенной, противоречит этому предсказанию. Во Вселенной, как мы ее знаем, преобладает материя. Галактики, звезды, планеты и мы сами состоим из материи. Антиматерия, хотя и образуется в некоторых ядерных реакциях и в ускорителях частиц, удивительным образом отсутствует в больших масштабах во Вселенной. Такое преобладание материи над антиматерией физики называют асимметрией материи-антиматерии, и это одна из величайших неразгаданных тайн физики.
Округлость электрона — потенциальный ключ к разгадке
Чтобы попытаться разгадать эту тайну, ученые обратились к миру субатомных частиц, а точнее к электрону. Электрон — это элементарная частица с отрицательным зарядом, которая вращается вокруг ядра атома. Долгое время считалось, что электрон имеет идеально круглую форму, то есть его заряд равномерно распределен вокруг него.
Однако если бы электрон был не идеально круглым, а слегка овальным или деформированным, это могло бы свидетельствовать об асимметрии в самих законах природы. Эта асимметрия могла бы проявиться в виде неравномерного распределения заряда электрона, с небольшим преобладанием одной стороны над другой. Если бы такая асимметрия существовала, это могло бы потенциально объяснить, почему в результате Большого взрыва образовалось больше материи, чем антиматерии, что привело к появлению Вселенной с преобладанием материи, которую мы наблюдаем сегодня.
Измерение округлости с помощью вращения
Для изучения формы электрона исследовательская группа использовала сложный экспериментальный метод. Ученые использовали молекулы фторида гафния — вещества, особенностью которого является то, что электрон находится очень далеко от ядра, что делает его более чувствительным к потенциальным эффектам неравномерного распределения заряда. Эти частицы были заряжены электричеством и находились в вакуумной камере, чтобы избежать помех от других частиц или электромагнитных полей.
После того как молекулы фторида гафния были установлены на место, исследователи приложили электрическое поле и наблюдали за поведением электронов. Более конкретно, они смотрели, вращаются ли электроны или колеблются в этом электрическом поле. Если электроны были не идеально круглыми, а слегка овальными или деформированными, то электрическое поле заставляло их вращаться, изменяя энергетические уровни молекул фторида гафния.
Однако, несмотря на точность эксперимента, исследователи не обнаружили никакой разницы в этих энергетических уровнях, независимо от приложенного электрического поля. Как они отмечают в пресс-релизе, это однозначно свидетельствует об идеальной округлости электронов.
Что дальше?
Это подтверждение круглости электрона, хотя и соответствует ожиданиям, имеет глубокие последствия для нашего понимания Вселенной и асимметрии материи и антиматерии. Оно предполагает, что если асимметрия в законах природы существует, то она должна проявляться более тонким образом, чем мы сейчас способны обнаружить.
Чтобы объяснить асимметрию материи и антиматерии во Вселенной, некоторые физики-теоретики предположили существование неизвестных субатомных частиц. Эти частицы, если они существуют, могут обладать свойствами, которые могли бы переломить баланс в пользу материи во время Большого взрыва. Более конкретно, эти частицы могли бы появляться и исчезать вокруг электрона — явление, известное как «квантовые флуктуации».
Однако они были бы настолько массивными и, следовательно, требовали бы столько энергии для производства, что их невозможно было бы обнаружить даже с помощью крупнейшего в мире ускорителя частиц — Большого адронного коллайдера (БАК) под Женевой. Вот почему изучение округлости электрона так важно. Если эти частицы существуют и влияют на форму электрона, то измерение его округлости может стать косвенным, но эффективным способом обнаружения их присутствия.