電子は非常に丸い、新たな測定で確認

電子が本当に丸いかどうかをテストするために、物理学者は、真空チャンバー内に含まれる帯電したフッ化ハフニウムの分子を使用しました（図参照）。

ケイシー・A・キャス/コロラド大学

エミリー・コノバー著

2023 年 7 月 6 日午後 2 時

電子は本当は丸いんです。

新しい測定により、素粒子の球形が記録的な精度で確認されたと物理学者らが7月7日号サイエンスに報告した。

このほぼ完璧な丸みにより、宇宙が反物質ではなく物質で満たされるようになった経緯の背後にある謎が深まります。 電子の形状の非対称性、つまり粒子の電荷の分布は、自然法則における関連する非対称性を示しており、宇宙のこの特徴を説明できる可能性があります。

物理学者の言葉で電子の電気双極子モーメントとして知られる特性の測定は、電子の形状に関するこれまでの最高の測定値 (SN: 10/17/18) の 2 倍の精度です。

「ギネスがこれを追跡するとは思いませんが、もし追跡していれば、新しい世界記録が生まれるでしょう」とコロラド大学ボルダー大学の物理学者ターニャ・ロッシーは言う。 新しい測定は非常に正確であるため、電子が地球ほどの大きさである場合、その形状の非対称性は原子よりも小さいスケールでなければなりません。

粒子の形状を測定するために、Roussy らは電子が電場中で旋回するかどうかを調べた。 電子が丸くなく、わずかに卵の形をしている場合、端に立っている卵が重力によってひっくり返されるのと同じように、電場が電子にトルクを及ぼすことになります。

そのトルクを確認するために、研究チームはフッ化ハフニウムの帯電分子のエネルギー準位の変化を調べた。 電子に何らかのトルクがかかると、「卵」が電場に対してどの方向を向いているかに応じて、分子に異なるエネルギーレベルが与えられます。 研究者らは分子のエネルギーレベルに違いは見出されず、電子が丸いことを裏付けた。

最も基本的なレベルでは、電子は点状の粒子であり、明確なサイズや形状はありません。 しかし、場の量子理論では、電子は、存在したり消えたりする一時的な「仮想」粒子に囲まれており、各電子に球状の電荷の輪を与えていると考えることができます。 もしそのハローがわずかに卵型であることが判明した場合、それは宇宙がどのようにして物質に偏ったのかを示している可能性があります。

ビッグバンでは物質と反物質が同じ割合で生成されるはずでした。この 2 つは互いに鏡像であり、反対の電荷を持っています。 しかし、私たちの宇宙では物質は一般的ですが、反物質は希少です。 理論物理学者は、特定の素粒子の存在がバランスを物質の方に傾けた可能性があると示唆しています (SN: 9/22/22)。 もしそれらの粒子が存在すると、電子の周囲でも一時的に長方形状に現れたり消えたりすることになる。

このような粒子は非常に質量が大きいため、生成するには非常に多くのエネルギーが必要となるため、ジュネーブ近くにある世界最大の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器でさえ発見することはできないでしょう。 そのため、素粒子物理学者にとって、電子の真円度に関する繊細な研究は重要なテストとなります。 そして、そのような実験はさらに改良され、より大きな質量の粒子をテストする準備ができていると、電子の真円度のこれまでの最良の測定に貢献した科学者の一人であるシカゴ大学の物理学者デイビッド・デミルは言う。

今のところ、新たな結果では隠れた粒子の痕跡は示されておらず、どのようにして物質が優位に立ったのかという謎は未解決のままとなっている。 そしてデミル氏は、「そこには何が存在するのかという疑問が残る」と言う。

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TS Roussy et al. 電子の電気双極子モーメントの制限が改善されました。 科学。 Vol. 381、2023 年 7 月 7 日、p. 46. 土井: 10.1126/science.adg4084。

物理学者のエミリー・コノバーは博士号を取得しています。 シカゴ大学で物理学の博士号を取得。 彼女は、DC サイエンス作家協会ニュースブリーフ賞を 2 回受賞しています。