Dårligt nyt for partikeljægerne: Elektronen er alt for rund

En ny ultranøjagtig måling af elektronens form er en spand koldt vand i hovedet på teorien om supersymmetriske partikler.

Gennem mange år har fysikere søgt at forbedre målinger af elektronens form, som kan udtrykkes med størrelsen af dens elektriske dipolmoment.

Britiske forskere fremlagde for to år siden målinger af elektronens dipolmoment. De kom frem til, at dipolmomentet var mindre end 10^-27 e centimeter, hvor e er elektronens ladning.

Det betød, at et eventuelt elektrisk dipolmoment for elektronen er mere end 16 størrelsesordner mindre end det magnetiske dipolmoment – og det betyder i praksis, at elektronen næsten er perfekt kuglerund.

Det var ikke helt uventet, men nu er det amerikanske ACME-konsortium kommet med nye data, der viser, at dipolmomentet er mindre end 8,7 x 10^-29 e centimeter. ACME står for Advanced Cold Molecule Electron EDM.

Nu begynder målingerne at få alvorlige konsekvenser.

»Det er en overraskelse,« siger Ed Hinds fra Imperial College i London, der var en del af den britiske forskningsgruppe, der målte dipolmomentet for to år siden, til Scientific American.

»Hvorfor i alverden er resultatet nul,« spørger han.

Elektronen er en magnet, er den også et batteri?

Elektronen har masse og ladning, men den har i kvantemekanisk forstand hverken en størrelse eller en struktur. Alligevel kan man tillægge den en form ud fra den måde, hvorpå den vekselvirker med elektriske felter.

En god teoretiker kan lave en ny model på en halv time, som det tager eksperimentalfysikerne 20 år at slå ihjel.

Eugene Commins, University of California, Berkeley

Elektronen opfører sig som en lille stangmagnet med en nordpol og en sydpol, idet den mere præcist udtryk har et magnetisk dipolmoment.

Spørgsmålet er, om den også har et elektrisk dipolmoment, der svarer til, at den kan karakteriseres som et lille batteri med en positiv og en negativ batteripol.

Ifølge fysikernes standardmodel for partikler er svaret nej. Men da fysikerne er sikre på, at Standardmodellen vil bryde sammen ved meget høje energier, så er der foreslået en lang række udvidelser til Standardmodellen, der som konsekvens har, at elektronen har et svagt elektrisk dipolmoment.

Kan Standardmodellen udvides med supersymmetriske partikler?

Teorien om supersymmetriske partikler er en sådan udvidelse. Et af formålene med LHC ved Cern er nu at lede efter sådanne supersymmetriske partikler.

Jagten på de supersymmetriske partikler vil blive intensiveret, når acceleratoren i 2015 sættes i gang på ny og med dobbelt så stor energi i partikelsammenstødene som hidtil.

Teorien om supersymmetriske partikler er elegant og tiltalende for mange fysikere, men der har bredt sig en vis nervøsitet over, at de hidtidige eksperimenter ved LHC ikke har vist så meget som en svag antydning af, at teorien passer med virkeligheden. På den anden side har eksperimenter dog heller ikke kunnet udelukke teorien.

Den nye måling af det elektriske dipolmoment er dog ikke godt nyt for tilhængerne af supersymmetri.

Ed Hinds siger til Scientific American, at hvis supersymmetriske partikler eksisterer i det energiområde, hvor de kan findes med LHC, så ville konsekvensen være, at elektronens dipolmoment skulle være væsentligt over den grænse, som det amerikanske eksperiment nu har fundet.

Eugene Commins fra University of California, Berkeley tilføjer, at der findes et utal af forskellige supersymmetrimodeller. Det gør ikke livet lettere.

»En god teoretiker kan lave en ny model på en halv time, som det tager eksperimentalfysikerne 20 år at slå ihjel,« siger han.

Sådan måles elektronens dipolmoment

I ACME benytter man molekyler af thoriummonoxid (ThO) til at måle elektronens dipolmoment.

Hvis elektronen har et elektrisk dipolmoment, vil den ikke rotere som en kugle, men mere slingre som et æg, når den udsættes for et elektrisk felt.

Forskerne måler en øvre grænse for denne form for slingring.

»Valget af molekylet er meget smart. Jeg vil ønske vi havde tænkt på det,« siger Jony Hudson fra den konkurrerende britiske gruppe, som benyttede terbiummonoflourid (YbF).

Det viser sig nemlig, at slingring i ThO er lettere at bestemme end i andre molekyler eller atomer.