Iki šiol tiksliausi elektrono formos matavimai žlugdo fizikų-teoretikų darbus

Rezultatas gautas nustatinėjant elektrono vadinamojo elektrinio dipolio momento. Panašus dipolio pavyzdys yra stačiakampis magnetas: jis atrodo tarsi svarmuo su šiaurės ir pietų ašigaliais. Tradiciškai įprasta manyti, kad elektronai yra sferiniai, tačiau jeigu jie turėtų dipolio momentą, tai reikštų, kad jie yra šiek tiek priploti. „Štai koks klausimas: ar elektronas atrodo vienodai iš visų pusių? Dipolio momentas – fizikoje naudojamas techninis būdas nustatyti, ar objektas yra simetriškas, ar ne“, - sakė Londono imperatoriškojo koledžo (Jungtinė Karalystė) fizikas Jony Hudsonas.

Dalelių fizikos standartinis modelis, aprašantis visas žinomas Visatos daleles ir jėgas bei jų sąveikas, prognozuoja, kad elektrono dipolio momentas yra praktiškai nulinis. Tačiau nepatvirtintos teorijos, kuriose aprašomos ir papildomos, kol kas neatrastos dalelės, prognozuoja kur kas didesnį dipolio momentą. Fizikai šį dydį bando nustatyti jau apie 50 metų, rašo scientificamerican.com.

Visai neseniai skirtingų universitetų mokslininkai, savo grupę pavadinę „ACME Collaboration“, kuriai vadovauja Jeilio universiteto (JAV) fizikas Davidas DeMille'is ir harvardo universiteto mokslininkai Johnas Doyle'as bei Geraldas Gabrielse iš Harvardo universiteto (JAV) atliko eksperimentą, kurio jautrumas yra 10 kartų didesnis už bet kurį, atliktą anksčiau, ir vis vien nerado nė ženklo, kad elektronas turėtų elektrinio dipolio momentą. Panašu, kad elektronas yra iš tiesų sferinis, bent jau 0,00000000000000000000000000001 centimetro tikslumu. ACME grupės straipsnio išankstinė versija publikuota svetainėje „arXiv“.

Iki pastarojo eksperimento tiksliausią rezultatą nustatęs Londono imperatoriškojo koledžo mokslininkas Edas Hindsas, dirbęs su J. Hudsonu, sakė: „Tai staigmena. Kodėl gi tai vis dar nulis?“

Eksperimentais tiriama elektrono kvantinė prigimtis. Kvantinė mechanika byloja, kad visos dalelės, taip pat elektronai, turėtų aplink save sukurti debesį virtualių dalelių, kurios nuolat tai susidaro, tai išnyksta. Jeigu standartinis modelis yra „galutinė tiesa“, tuomet visos šios virtualios dalelės turėtų taip pat būti „standartinės“. Tačiau jeigu egzistuoja ir labiau egzotiškų dalelių, tuomet jos turėtų atsirasti virtualiuose debesyse aplink elektronus, o dėl to debesys būtų asimetriški, kitaip tariant, sukurtų elektrinio dipolio momentą.

Norint išmatuoti šią asimetriją, mokslininkai įsuka elektronus norėdami patikrinti, ar jie yra sferiniai, ar pailgi. Panašiai pasukus biliardo rutulį, jis suksis stabiliai, o pasuktas kiaušinis vinguriuos. Tą patį galima būtų pasakyti ir apie elektroną su elektrinio dipolio momentu. ACME mokslininkai tyrė torio monoksido molekulėse esančius elektronus. Dėl didelės torio monoksido masės ir spektrinių charakteristikų molekulės vinguriavimas būtų aiškesnis. „Jie labai protingai pasirinko molekulę. Aš netgi pavydžiu – norėčiau, kad pats būčiau taip sugalvojęs“, - sakė J. Hudsonas.

Ankstesnių kartų eksperimentais buvo bandoma nustatyti elektronų sukimosi įtaką pavieniams atomams, tačiau paaiškėjo, kad tai yra kur kas sudėtingiau. ACME mokslininkai rezultatą gavo atlikdami kruopščius mikroskopinės spektroskopijos matavimus ir pasistengė eksperimentą apsaugoti nuo magnetinių laukų ir kitos aplinkos taršos, dėl kurios galėtų atsirasti sisteminių klaidų. „Tai sudėtinga, nes yra daug dalykų, kurie gali atkartoti šį efektą, o dipolio momentas yra toks mažas“, - sakė kitas Londono imperatoriškojo koledžo mokslininkas Benas Saueris.

Šis rezultatas yra galingas smūgis daugybei naujų fizikos teorijų, ypač – supersimetrijos, kuri numato, jog kiekviena žinoma dalelė Visatoje turi savo supersimetrinį dvynį, kuris dar neatrastas. „Supersimetrijos teorija yra labai elegantiška ir atrodo tokia natūrali, kad daugybė žmonių patikėjo jos teisingumu“, - sakė E. Hindsas. Bet jeigu supersimetrinės dalelės iš tiesų egzistuoja, tuomet debesyse aplink elektronus jos turėtų atsirasti tarsi virtualūs fantomai, todėl susidarytų išmatuojamas elektrinio dipolio momentas. Šio momento nebuvimas įstumia supersimetrijos teoriją į labai ankštą kampą. „Artėjame prie taško, kuomet supersimetrijos teorija bus arba patvirtinta, arba paneigta“, - sakė J. Hudsonas.

Nors pastarieji matavimai atmetė kai kuriuos bazinius supersimetrijos teorijos modelius, sudėtingesni modeliai prognozuoja mažą elektrinio dipolio momentą, kuris galėtų būti tokio dydžio, kad fizikai jo dar nesugeba išmatuoti. „Supersimetrijos modelius galima kurti be galo. Geras teoretikas modelį gali išmąstyti per pusvalandį, o eksperimentatoriui prireikia 20 metų tą modelį nugalabyti“, - sakė Kalifornijos universiteto Berkelyje (JAV) profesorius-emeritas Eugene'as Comminsas, vadovavęs paskutinėms elektrinio dipolio momento paieškoms atomuose.

Supersimetrinių dalelių paieška yra ir vienas iš pagrindinių Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) tikslų. Šio didžiausio pasaulyje dalelių greitintuvo, esančio po Šveicarijos ir Prancūzijos pasieniu, viduje susiduria beveik šviesos greičiu priešingomis kryptimis lekiantys protonų srautai. Šis greitintuvas yra pakankamai didelis, kad „sugautų“ maždaug 1 teraelektronvolto (TeV) daleles – maždaug tokiame spektre ir prognozuojama supersimetrinių dalelių masė. Tačiau kol kas greitintuvas neužfiksavo jokių naujų dalelių pėdsakų – išskyrus paskutinės dalelių fizikos paslapties, Higgso bozono.

„Jeigu LHC tikrinamos energijos spektre yra naujos fizikos pėdsakų, tai galima būtų tikėtis, kad tokios dalelės sukurtų ir dipolio momentą, kuris būtų gerokai didesnis, nei dabar nustatyta riba. Žinant šį naują rezultatą tapo labai jau menkai tikėtina, kad kas nors vyksta TeV lygmenyje“, - sakė E. Hindsas.

Bet vargu ar tai sutrukdys eksperimentuotojams su elektronais ieškoti dar žemesnės dipolio momento ribos tikintis, kad signalas visgi atsiras. Tuo tarpu visas fizikos pasaulis laukia patobulinto LHC greitintuvo įjungimo 2014 metais.