Сферическая форма электрона нанесла ещё один удар по надеждам физиков

Александр Березин — 12 ноября 2013 года, 19:05

Физики редко единодушны, но в одном они сходятся: сегодняшняя физическая теория неполна. Однако попытки найти некую «новую физику» чаще всего терпят неудачу. Именно так получилось и с формой электрона, оказавшейся удручающе правильной.

В последний раз её точная фиксация сопутствовала поиску так называемого электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона. Коротко: если электрон имеет дипольный момент, то он будет не сферическим, а слегка сплющенным. «Вот в чём неясность: выглядит ли электрон одинаково со всех направлений? — вопрошает Джони Хадсон (Jony Hudson) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания). — Дипольный момент — это технический способ выяснить, симметричен ли он».

Сплющенность у электрона искали и так и сяк, и на примере фторида тербия, и на оксидах тория, однако пока он остаётся идеальным «шариком», как бы странно это ни звучало для такой частицы. (Иллюстрация Wikimedia Commons.)


Казалось бы, какая разница, присуща ли электрону форма сферы или типичной планеты, то есть лёгкая сплющенность «сверху» и «снизу»? Но нет, разница важна. Стандартная модель (СМ) современной физики предсказывает, что дипольный момент у электрона будет... никакого, в общем, ЭДМ у него нет. Сфероид — он и есть сфероид (впрочем, всё это очень условно, ибо, по сути, у него и «поверхности»-то нет). Следовательно, если электрон не шарик, то Стандартная модель нуждается в ремонте.

Группа физиков во главе с Дэвидом Демилле (David DeMille) из Йельского университета (США) выполнила несколько экспериментов для обретения точного знания электрического дипольного момента; её данные вдесятеро точнее лучших прежних результатов — но всё равно никакого следа ЭДМ не обнаружилось. В пределах 10–28 см электрон — правильная сфера, и это, наверное, печально.

«Это сюрприз, — считает не участвовавший в исследовании Эд Хиндс (Ed Hinds) из Имперского колледжа Лондона. — С какой стати он всё ещё нулевой?» И г-на Хиндса можно понять. Согласно квантовой механике, вокруг всех частиц (не исключая электрона) должны возникать и тут же пропадать виртуальные частицы. Если в физике есть только СМ (и ни одним слоном или черепахой больше), то эти виртуальные частицы не создают отклонения при измерении дипольного момента для электрона — ибо возникать они будут симметрично со всех сторон.

Иное дело, если есть какие-то частицы, не укладывающиеся в СМ. Тогда облака виртуальных частиц будут асимметричны. Следовательно, и ЭДМ у электрона рано или поздно найдётся.

Ради достижения этого разочаровывающего результата в качестве объекта наблюдения впервые были выбраны электроны монооксида тория (что удачно — в силу большой массы атомов, делающей особо заметными любые отклонения в параметрах исследуемых электронов), минимизировано влияние посторонних магнитных полей, учтены все систематические ошибки и пр. Однако всё, что удалось получить, — удар по нескольким новым физическим теориям за пределами СМ.

«Суперсимметрия так элегантна, так естественно ощущается, что многие уже начали верить в то, что эта теория верна», — сокрушается Эд Хиндс. Однако будь всё именно так, все эти частицы-близнецы, которые, согласно теориям сторонников суперсимметрии, есть у обычных частиц, должны внести такие возмущения, которые исключили бы недавние измерения. Да, у последних пока не совсем идеальная точность, но сейчас суперсимметрия, мягко говоря, загнана в весьма тесный угол, и её проявления должны начинаться на каких-то совсем уж нечеловечески малых масштабах. «Суперсимметрия приближается к точке, когда мы или найдём её, или убьём», — уточняет г-н Хиндс.

Ещё один физик, Юджин Комминс (Eugene Commins) из Калифорнийского университета в Беркли (США), более оптимистичен: пространство для отступления у суперсимметрии ещё есть. «Вы можете бесконечно плодить модели суперсимметрии, — считает он. — Хороший теоретик может изобрести модель за полчаса, и у экспериментатора уйдёт двадцать лет, чтобы проверить её». Однако факты — упрямая вещь; рано или поздно черепахи-экспериментаторы должны нагнать Ахиллеса-теоретика, так как бесконечно малыми проявления суперсимметрии всё же не будут.

Как отмечает тот же Эд Хиндс, нынешние результаты по «сферичности» электрона, по сути, исключают возможность того, что Большому адронному коллайдеру удастся найти следы суперсимметрии во всём рабочем диапазоне его энергий: почти наверняка тераэлектронвольтные мощности не дадут обнаружить суперсимметрию, и это значит, что и новая сессия работы БАК после 2014 года ничего не даст.

Препринт отчёта об этом исследовании можно полистать на сайте arXiv.

Подготовлено по материалам Scientific American.