Elektron erscheint kugelförmig, quetschen Hoffnungen für neue Theorien der Physik

Wissenschaftler sind sich einig, dass ihre aktuelle Theorie der Physik unvollständig ist. Noch hat alle Anstrengungen, um eine tiefere Theorie setzen bisher enttäuscht. Jetzt der empfindlichste Test noch die Form eines Elektrons – eine Eigenschaft, die zugrunde liegenden "neue Physik" aussetzen könnte — hat es versäumt, einem Hauch von nichts Neues zu finden. Die Suche nach Regeln eine Reihe von bevorzugten Ideen zur Erweiterung von Physik, einschließlich einige Versionen von eine beliebte Idee genannt Supersymmetrie.

Das Ergebnis kam aus einer Suche nach der sogenannten elektrisches Dipolmoment des Elektrons. Ein bekanntes Beispiel eines Dipols ist eine Bar Magnet, der wie eine Hantel mit ein Nord- und ein Südpol geformt ist. Elektronen sind traditionell als kugelförmig gedacht, aber wenn sie Dipolmomente hätten, würden sie leicht gequetscht werden. "Es ist eine Frage von: ist das Elektron gleich egal in welche Richtung Sie sie schauen aussehen?" erklärt Physiker Jony Hudson vom Imperial College London. "Das Dipolmoment ist Physiker technische Art und Weise zu beschreiben, wenn sie symmetrisch oder nicht ist."

Das Standardmodell der Teilchenphysik, der alle bekannten Teilchen im Universum beschreibt, prognostiziert ein praktisch Null elektrisches Dipolmoment für das Elektron. Theorien, die zusätzliche, noch erkannt Partikel enthalten Vorhersagen noch eine viel größere Dipolmoment. Physiker haben diese Dipolmoment seit 50 Jahren gesucht. Jetzt hat eine Gruppe mit dem Namen der ACME-Zusammenarbeit, unter der Leitung von David DeMille der Yale University und John Doyle und Gerald Gabrielse der Harvard University, einen Test 10 Mal empfindlicher als die bisherigen Experimente durchgeführt und immer noch keine Anzeichen für ein elektrisches Dipolmoment in das Elektron gefunden. Das Elektron scheint kugelförmigen bis 0.00000000000000000000000000001 Zentimeter nach ACME Ergebnissen, die auf der Website ArXiv Preprint veröffentlicht wurden. "Es ist eine Überraschung," sagt Ed Hinds, setzen auch vom Imperial College London, der mit Hudson am vorherigen besten Limit gearbeitet, im Jahr 2011. "Warum ist auf der Erde es noch Null?"

Die Experimente sind die Quantennatur des Elektrons sondieren. Nach der Quantenmechanik sollten alle Partikel, einschließlich das Elektron eine Wolke von virtuellen Teilchen um sie herum hervorrufen, die ständig ein-und Existenz zu fegen. Wenn das standard-Modell alles ist gibt, dann wäre diese virtuellen Teilchen alltägliche, gewöhnliche Partikel. Aber wenn mehr exotischere Teilchen dort draußen gibt, sollte sie in den virtuellen Wolken um Elektronen, verursacht die Wolken zu asymmetrischen auftauchen – das heißt, verursacht ein elektrisches Dipolmoment.

Um diese Asymmetrie suchen, spin Wissenschaftler Elektronen zu testen, ob sie rund oder länglich sind. Während eine Billard-Kugel reibungslos drehen wird, wird ein Ei wackeln. Das gleiche gilt für ein Elektron mit einem elektrischen Dipolmoment. Die ACME-Forscher untersuchten Elektronen in Thorium Kohlenmonoxid Moleküle, deren schwere Masse und Besonderheiten wackeln auffälliger machen würde. "ihre Wahl des Moleküls ist sehr clever," sagt Hudson, dessen Experiment ein weiteres Molekül verwendet, namens Terbium Fluorid. "Ich bin irgendwie eifersüchtig – ich wünschte, ich hatte daran gedacht." Frühere Generationen von Experimenten suchte die Auswirkungen auf einzelne Atome, die erwies sich als sehr viel schwieriger werden. Die ACME-Wissenschaftler stützte sich auf sorgfältige Messungen mit Mikrowelle Spektroskopie zu bemerken, wackeln, und bemühte sich, halten ihr Experiment frei von magnetischen Feldern oder andere Verunreinigungen, die systematische Fehler verursachen könnten. "Es ist schwer, denn es gibt eine Menge Dinge, die den Effekt nachahmen kann, und das Dipolmoment nur so klein ist", sagt Ben Sauer, ein weiteres Mitglied des Imperial College London-Teams.

Das neue Ergebnis Angebote ein bedeutender Schlag zu vielen neuen Physik Theorien, vor allem Supersymmetrie, eine bevorzugte Idee, die suggeriert, dass jeder bekannten Teilchen im Universum ein Twin supersymmetrischen Teilchen hat, die noch nicht entdeckt zu werden. "Supersymmetrie ist so elegant und fühlt sich irgendwie so natürlichen, die viele Leute anfingen, zu glauben, dass es richtig war", sagt Hinds. Aber wenn sie vorhanden sind, sollten diese beiden Teilchen entstehen als virtuelle Phantome in der Wolke um Elektronen, so dass es ein messbares elektrisches Dipolmoment. Das Fehlen einer unterstützt bisher Supersymmetrie in eine ziemlich enge Kurve. "Es ist sagt nah an dem Punkt wo es machen oder brechen für Supersymmetrie," Hudson. Obwohl einige Grundmodelle der Theorie durch die neueste Messung ausgeschlossen wurden, Vorhersagen komplexere Modelle ein kleines elektrisches Dipolmoment, das im Bereich versteckt sein könnte, die Physiker noch suchen müssen. "Sie können Modelle der Supersymmetrie, endlos machen", sagt Eugene Commins, emeritierter Professor für Physik an der University of California, Berkeley, der letzte Suche für das Dipolmoment in Atomen geführt. "Ein guter Theoretiker kann ein Modell in einer halben Stunde zu erfinden, und es dauert ein Experimentator, 20 Jahre, es zu töten."

Auf der Suche nach supersymmetrischen Teilchen ist eines der Hauptziele des Large Hadron Collider (LHC), der größte Teilchenbeschleuniger, der Protonen zusammen mit nahe Lichtgeschwindigkeit in einem Tunnel unter der Schweiz und Frankreich zerschlägt. Das Gaspedal ist groß genug, um Energien um ein Teraelectron-Volt (TeV) Sonde – direkt an das Energiespektrum für supersymmetrischen Teilchen vorhergesagt. Bisher hat es keine neue Partikel bis auf das letzte fehlende Stück des Standardmodells der Teilchenphysik, dem Higgs-Boson Anzeichen. "Wenn es neue Physik im Energiebereich wo LHC sondieren ist gibt, man erwartet hätte, dass es auch ein Dipolmoment wesentlich größer als der Grenzwert produzieren würde, die wir jetzt haben," sagt Hinds. "Nun, dieses neue Ergebnis heraus, du sicherlich es höchst unwahrscheinlich, dass es etwas los bei der TeV Level machst." Unbeirrt die Elektron Experimentatoren werden jedoch weiterhin im Wettbewerb um die Dipol-Grenze schieben niedriger und niedriger, in der Hoffnung, die ein Signal noch gefunden werden kann, und Physiker sind gespannt auf die Ergebnisse LHCs nächsten Lauf im Jahr 2014, wenn es wieder nach einer Pause bei höheren Energien als je zuvor wird.

Dieser Artikel erschien zuerst im Scientific American. © 2013 ScientificAmerican.com. Alle Rechte vorbehalten.

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