전자는 극도로 둥글다. 새로운 측정으로 확인됐다

전자가 실제로 둥근지 여부를 테스트하기 위해 물리학자들은 진공 챔버(그림) 내에 포함된 전기적으로 충전된 불화 하프늄 분자를 사용했습니다.

Casey A. Cass/콜로라도 대학교

에밀리 코노버

2023년 7월 6일 오후 2시

전자는 정말 정말 둥글다.

새로운 측정을 통해 아원자 입자의 구형 형태가 기록적인 정확도로 확인되었다고 물리학자들이 7월 7일자 사이언스지에 보고했습니다.

거의 완벽에 가까운 원형은 우주가 어떻게 반물질이 아닌 물질로 채워지게 되었는지에 대한 미스터리를 심화시킵니다. 전자 모양의 비대칭성, 즉 입자의 전하 분포는 자연 법칙의 비대칭성을 가리키며, 이는 우주의 이러한 특징을 설명할 수 있습니다.

물리학자들이 말하는 전자의 전기 쌍극자 모멘트로 알려진 특성에 대한 측정은 전자 모양에 대한 이전 최고의 측정(SN: 10/17/18)보다 두 배 더 정확합니다.

콜로라도 볼더 대학의 물리학자 타냐 루시(Tanya Roussy)는 “기네스가 이것을 추적할 것이라고는 생각하지 않습니다. 하지만 만약 그렇다면 우리는 새로운 세계 기록을 갖게 될 것입니다.”라고 말했습니다. 새로운 측정은 매우 정확하여 전자가 지구의 크기라면 그 모양의 비대칭은 원자보다 작은 규모에 있어야 합니다.

입자의 모양을 측정하기 위해 Roussy와 동료들은 전자가 전기장에서 회전하는지 여부를 조사했습니다. 전자가 둥글지 않고 약간 달걀 모양이라면 중력이 그 끝에 서 있는 달걀을 쓰러뜨리는 것과 마찬가지로 전기장이 전자에 토크를 가할 것입니다.

그 토크를 확인하기 위해 팀은 전기적으로 하전된 불화 하프늄 분자의 에너지 수준 변화를 조사했습니다. 전자에 대한 토크는 전기장에 대해 "계란"이 어느 방향으로 향하는지에 따라 분자에 다른 에너지 수준을 제공합니다. 연구진은 분자의 에너지 수준에 차이가 없음을 발견하여 전자의 원형을 확인했습니다.

가장 기본적인 수준에서 전자는 명확한 크기와 모양이 없는 점 모양의 입자입니다. 그러나 양자장 이론에서 전자는 존재했다가 사라지는 일시적인 "가상" 입자로 둘러싸여 각 전자에 구형 전하 후광을 제공하는 것으로 생각할 수 있습니다. 만약 그 후광이 약간 달걀 모양인 것으로 밝혀졌다면, 이는 우주가 어떻게 물질 쪽으로 치우쳐졌는지를 지적할 수 있습니다.

빅뱅은 물질과 반물질을 동일한 부분으로 생성했어야 합니다. 두 물질은 서로 반대 전하를 지닌 거울상입니다. 그러나 우리 우주에는 물질이 흔하지만 반물질은 드물다. 이론 물리학자들은 특정 아원자 입자의 존재가 물질 쪽으로 균형을 기울였을 수 있다고 제안했습니다(SN: 9/22/22). 이러한 입자가 존재한다면 전자 주위에 일시적으로 나타났다가 사라져 전자를 직사각형으로 만들 것입니다.

이러한 입자는 너무 거대하므로 생성하는 데 너무 많은 에너지가 필요하므로 세계 최대 입자 가속기인 제네바 근처의 대형 강입자 충돌기에서도 발견할 수 없습니다. 이는 전자의 원형도에 대한 민감한 연구를 입자 물리학자들에게 중요한 테스트로 만듭니다. 그리고 이전에 전자의 원형도를 가장 잘 측정한 과학자 중 한 명인 시카고 대학교의 물리학자 David DeMille은 이러한 실험이 훨씬 더 큰 질량의 입자에 대한 테스트를 통해 더욱 향상될 준비가 되어 있다고 말했습니다.

현재로서는 새로운 결과에는 숨겨진 입자의 흔적이 전혀 보이지 않으며 물질이 어떻게 우위를 차지하게 되었는지에 대한 미스터리가 풀리지 않은 채로 남아 있습니다. 그리고 DeMille은 "저 밖에 무엇이 있는지에 대한 질문을 남깁니다"라고 말합니다.

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TS Roussyet al. 전자의 전기 쌍극자 모멘트에 대한 향상된 경계. 과학. Vol. 381, 2023년 7월 7일, p. 46. ​​도이: 10.1126/science.adg4084.

물리학 작가 Emily Conover는 박사 학위를 가지고 있습니다. 시카고 대학교에서 물리학을 전공했습니다. 그녀는 DC Science Writers' Association Newsbrief 상을 두 번이나 수상했습니다.