如果电子的电荷分布并不是完美的圆形，就有可能揭示潜在的新粒子。不过，最新的测量结果显示，电子的电荷分布的确接近完美的圆。
即便电子有地球那么大，物理学家也能探测到北极地区一个糖分子大小的隆起
把一个电子想象成一朵带负电荷的球形云。如果这个球稍微有些隆起或凹陷，也就是不那么圆，或许就有助于解释我们物理学知识框架中的空白，比如：为什么宇宙并非空无一物，而是囊括了一些物质。
考虑到其中的利害关系，在过去的几十年里，一小群物理学家一直在执着地寻找电子形状的任何不对称性。现在的实验仪器非常灵敏，即便电子有地球那么大，物理学家也能探测到北极地区一个糖分子大小的隆起。
于是，最新的测量结果出来了：电子比这还要圆。
这个结果让那些希望看到新物理学大门的人失望了，但仍然有助于理论物理学家优化他们的模型，以确定当前理论框架中可能缺失的未知粒子和力。
斯坦福大学理论物理学家彼得 · 格雷厄姆（Peter Graham）说：“我敢肯定，对于一名实验人员来说，如果他一直什么都测不到，职业生涯一定会很艰难。不过，就电子形状这个测量实验来说，即使结果是零，也很有价值，也确实能让我们收获重要启示。这项研究把我们的实验技术推上顶峰，而这对未来的新物理学也非常重要。”
偷猎大象
粒子物理学标准模型是我们拥有的最棒的花名册，上面记录了宇宙这座动物园内存在的所有粒子。加州大学伯克利分校物理学家德米特里 · 巴德克（Dmitry Budker）说，在过去几十年里，这个理论在实验测试中表现得异常出色，但它也留下了不容忽视的“房间里的大象”。
首先，我们的存在本身就证明标准模型并不完备，因为根据这个理论，大爆炸应该产生等量的物质和反物质，它们应该早就相互湮灭了。
1967年，苏联物理学家安德烈 · 萨哈罗夫（Andrei Sakharov）为这个特殊的难题提出了一个可能的解决方案。他推测，在自然界中一定存在着某种不一样的微观过程，它的逆向过程无法完全抵消正过程：这样，物质就可以生长到支配反物质的地位。几年前，物理学家就在K介子的衰变过程中发现了这类现象。但仅凭这一点还不足以解释不对称性。
从那时起，物理学家就一直在寻找可以进一步扭转这一局面的新粒子的线索。有些研究者采用直截了当的实验方法，即使用大型强子对撞机——很多人都把它奉为有史以来最复杂的机器。不过，在过去的几十年里，也出现了一种成本相对较低的替代方案：观察假想中的粒子如何改变已知粒子的性质。马萨诸塞大学阿默斯特分校理论物理学家迈克尔 · 拉姆塞 - 穆索夫（Michael Ramsey-Musolf）说：“你看到了（新物理学的）印迹，但并没有真正看到制造它们的东西。”
电子的圆度就是这样一个潜在的新物理学印迹。量子力学表明，在电子这朵带负电荷的云中，其他粒子不断涌现又消失。不在标准模型中的某些“虚”粒子的存在——这类粒子有助于解释正物质（相对于反物质）为什么会占据主导地位——会使电子云看起来更像鸡蛋（没有那么圆），一端带更多的正电荷，另一端带更多的负电荷，就像条形磁铁的两端一样。这种电荷分离的现象叫做电偶极矩（EDM）。
标准模型预言，电子的电偶极矩非常小，大概是目前实验技术探测极限的百万分之一。因此，如果研究人员现在通过实验手段探测到电子的电荷分布更接近长方形，那无疑就打开了一扇通往新物理学的大门，并能指出标准模型缺失的内容。
为了寻找电子的电偶极矩，科学家研究粒子自旋的变化——自旋是粒子的一种内禀属性，可以借自旋定义粒子的方向。磁场可以轻易扭转电子的自旋方向，因此，我们可以把电子的磁矩看作某种手柄。而实验人员的目标则是用电场来扭转电子自旋方向，也就是把电偶极矩用作电手柄。
多伦多大学物理学家阿马尔 · 伍萨（Amar Vutha）说：“如果电子是完美的球形，就没有手柄可以让我们扭转它的自旋方向。但如果电子的电偶极矩相当大，电场就可以利用这点改变电子自旋方向。”
2011年，伦敦帝国理工学院的研究人员通过实验证明，将电子锚定在重分子上，就可以放大这种电手柄效应。自那之后，两支研究电子电荷分布的主要团队你追我赶、交替领先，每隔几年就会得到精确度大大提升的测量结果。
目前，美国西北大学正在开展一项名为“先进冷分子电子电偶极矩”（ACME）的实验。他们的竞争对手则是科罗拉多大学实验天体物理研究所的一支团队。在过去的十年里，这两支相互竞争的实验团队测量精度提高了200倍，但仍然没有探测到电子的电偶极矩。
“这有点像赛跑，只不过我们不知道终点线在哪里，甚至不知道终点线是否存在。”芝加哥大学物理学家、ACME小组的领导人之一大卫 · 德米尔（David DeMille）说。
奔向未知的赛跑
为了在竞争中领先，团队中的研究人员要做到两点：更多的测量次数和更长的测量时间。不过，两支团队的具体实现方法截然不同。
2018年，ACME团队率先创造实验测量精度纪录，他们的研究方法优先考虑的是测量次数。他们在实验室中发射一束中性分子，每秒探测数千万个中性分子，但每次只持续几毫秒。科罗拉多大学实验天体物理研究所团队测量的分子数量较少，但时间更长：他们一次捕获几百个分子，然后测量它们，时间长达3秒。
为此，科罗拉多大学实验天体物理研究所团队领导人之一、科罗拉多大学博尔德分校物理学家埃里克 · 康奈尔（Eric Cornell）开发了离子捕获技术。对此，德米尔评价说：“这是一个重大概念突破，这个领域的许多研究人员之前都觉得这个想法很是疯狂。看到它开花结果真的很令人激动。”
巴德克则表示，两支团队运用两种不同的实验方法，就可以起到互相检验的效果，这“绝对至关重要”。“我无法用语言来表达我对这类智慧和毅力的钦佩。这是目前最好的科学。”
2017年，康奈尔用四氟化铪分子第一次展示了离子捕获技术。之前在康奈尔手下做研究生的坦尼娅 · 罗西（Tanya Roussy）在最近发表的预印本论文中介绍说，从那以后，技术上的提升让科罗拉多大学团队超越了ACME的纪录，把实验结果精确度提升了2.4倍。不过，科罗拉多大学团队本身拒绝对此发表评论，因为他们自己的论文正在接受《科学》杂志的评审。
以更高的精度探测电子的圆度，相当于在更高的能量尺度上寻找进入新物理学的大门，或是寻找更重粒子的蛛丝马迹。这类假想中的新粒子对大约1013电子伏特以上的能量很敏感——比大型强子对撞机目前可以探测到的能量高出一个数量级。几十年前，大多数理论物理学家预计，在这个能量尺度上，就可能发现新粒子的线索。每当这个能量标准提高时，一些原本被视为正确的观点就会受到质疑。
拉姆塞-穆索夫说：“我们必须不断努力，弄清这种能量尺度意味着什么。目前一切都还没有定论，但这个领域正在升温。”
与此同时，测量电子电偶极矩的两支研究团队也在继续前进。双方的目标是在未来某个时间在中间位置汇合：科罗拉多大学团队计划制造一束充满离子的光束来增加他们测量的粒子数目；而ACME团队则希望通过延长光束以增加他们的测量时间。伍萨甚至在研究“一些完全疯狂”的方法，比如将分子冻结在冰块中，以期能再将测量精度提升几个数量级。
两支研究团队的梦想是，这些电偶极矩测量实验率先触摸到通往新物理学的大门，进而推动其他精密测量实验和更大粒子对撞机的后续研究。
格雷厄姆说：“电子的形状会告诉我们有关自然基本定律的全新知识。一座巨大的物理学宝库正等待我们去发现。我乐观地认为，我们最终会实现这一目标。”
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者扎克·萨维茨基（Zack Savitsky）是一名科学记者，为《科学》（Science）、《水星新闻》（The Mercury News）等刊物撰稿
