Är elektronen rund?

Var på ett mycket bra föredrag idag av Ed Hinds från Imperial collage London. Han talade under rubriken "Är elektronen rund?". Det kan synas vara en konstig fråga då elektronen så vitt vi vet är en elementarpartikel och sålunda inte har någon struktur alls. Men det gäller bara "nakna" elektroner. Enligt kvantelektrodynamiken (QED) består vakuum av en soppa där partikel/antipartikel-par ständigt skapas och förintas. Den negativa elektronen suger till sig de positiva partiklarna och repellerar de negativa. På så sätt skapas en laddningsfördelning runt elektronen. Detta kallas för vakuumpolarisation och leder till att elektronen, betraktad utifrån, får en vill utsträckning.

Elektronen har också ett spinn. Det är en inre egenskap hos partiklar som är en vektorstorhet, dvs förutom storlek har den också en riktning. (Jfr t ex med hastighet) Det betyder att elektronen inte är helt sfäriskt symmetrisk, den har i alla fall ett "upp" och ett "ner". Enligt den rådande modellen inom partikelfysiken påverkar inte detta spinn vakuumet, men enligt många andra modeller som supersymmertri så kommer positiva laddningar att dras lite "uppåt" och negativa puttas lite "nedåt". Elektronen får på så sätt ett elektriskt dipolmoment (EDM). Att mäta detta dipolmoment är en stor utmaning. Om det hittas är det ett klart bevis för att standardmodellen är otillräcklig, och om det inte hittas skulle det betyda dödsstöten för många populära utvidgningar av standardmodellen. Problemet är att elektronens EDM är jättelitet, hittills har man mätt att det är mindre än 1,2^.10^-27 e.cm, och gränsen för många teorier ligger kanske en eller två storleksordningar lägre ändå.

Man mäter EDM genom att stoppa in sin testpartikel i ett elektriskt fält (E). EDM samverkar (eller motverkar) fältet och ger ett ett energibidrag, W=E^.d_e, där d_e är elektronens EDM. Detta energiskifte kan man då mätas som en frekvenskskillnad jämfört med en lämplig referensnivå. Men ett EDM på säg 5^.10^-28 e.cm skulle i ett oerhört fält på 100kV/cm bara ge ett bidrag motsvarande 10^-8 Hz, eller en svängning per 3 år. Detta går inte att mäta!

Men, vad Hinds har gjort är att kommit på ett listigt sätt att använda molekyler, i detta fallet YbF, för att få en lokal förstärkning av det elektriska fältet på en miljon gånger. Med hjälp av laserspektroskopi kan man då komma upp till en energiskillnad på 10^-2 Hz, något som kan mätas, även om det är oerhört svårt. Hittills har man lyckats mäta ett liiiitet EDM hos elektronen, men man håller på och dubbelkollar data och skall även jämföra med andra molekyler för att vara säkra på at det inte bara är ett systematiskt fel man mäter utan en verklig effekt. Som Carl Sagan uttryckte det: "Extraordinary claims require extraordinary evidence".

PS: Anledningen till att elektronens EDM är så intressant är att under T-inversion skulle spinn byta riktning, men inte EDM. Därför gör man sina mätningar på hyperfinsplittringen hos grundtillståndet hos YbF. För F=1 letar man efter en Zeeman-splittring mellan nivåerna m_F=1 och m_F=-1. Enligt standardmodellen är dessa nivåer exakt degenererade, så om man hittar ett skifte mellan dem är det ett klart bevis på ett T-symmetribrott.
Detta skulle kunna även kunna ge ledtrådar till anledningen för dagens obalans i mängden materia-antimateria, något som kräver ett CP-symmetribrott enligt gällande teorier. OM CPT-teoremet håller skulle ett T-symmetribrott också leda till ett CP-brott, vilket allstå skulle vara av intresse för kosmologer.

Mer kan man bl a läsa här: Towards a new measurement of the electron's electric dipole moment. arXiv: physics/0509169

Andra bloggar om: fysik, vetenskap.