Формата на електрона задълбочава загадката относно барионната асиметрия на нашата Вселена

Идеално кръглата форма на електрона бе потвърдена чрез безпрецедентно прецизно измерване. Макар и очаквано, това измерване повдига нови въпроси за асиметрията на материята и антиматерията във Вселената. Последиците от това изследване са значителни, тъй като в крайна сметка могат да ни помогнат да разберем защо във Вселената преобладава материята, а не антиматерията.

В безкрайно малкия свят на квантовата физика всяка частица и всяко взаимодействие са от значение. Електроните, вездесъщите субатомни частици, са в основата на нашето разбиране за Вселената. Поведението и характеристиките им се изучават с особена прецизност, тъй като в тях може да се крият ключове към някои от най-големите загадки на физиката. Една от тези загадки е асиметрията на материята и антиматерията във Вселената – загадка, която тормози учените от десетилетия.

Винаги се е смятало, че електронът е идеално кръгъл. Последните измервания обаче потвърдиха тази кръгла форма с рекордна точност, което потопи физиците в още по-дълбока загадка. Защо тази закръгленост е толкова важна? Последиците от това изследване направено от международен екип от учени под ръководството на д-р Джейкъб Барон от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) в САЩ са огромни, тъй като в крайна сметка може да ни помогнат да разберем защо във Вселената преобладава материята, а не антиматерията. Научната работа на екипа е публикувана в списание Science.

Асиметрията на материята и антиматерията: една непреходна загадка

Според съвременните космологични теории Големият взрив – първичната експлозия, довела до появата на познатата ни Вселена – е трябвало да произведе равни количества материя и антиматерия. Антиматерията в известен смисъл е отражение на материята: всяка частица материя има съответстваща частица антиматерия с противоположен заряд. Когато материята и антиматерията се срещнат, те се анихилират взаимно, освобождавайки големи количества енергия.

Но това, което наблюдаваме във Вселената, противоречи на тази теория. Във Вселената, каквато я познаваме, преобладава материята. Галактиките, звездите, планетите и ние самите сме съставени от материя. Антиматерията, въпреки че се образува при някои ядрени реакции и в ускорителите на частици, изненадващо отсъства в мащабите на Вселената. Този превес на материята над антиматерията физиците наричат асиметрия на материята и антиматерията и е една от големите неразгадани загадки на физиката.

Кръглата форма на електрона е потенциален ключ към решението

За да се опитат да разгадаят тази загадка, учените се обръщат към света на субатомните частици, по-конкретно към електрона. Електронът е елементарна частица с отрицателен заряд, която се върти около ядрото на атома. Дълго време се считаше, че електронът е идеално кръгъл, което означава, че зарядът му е равномерно разпределен около него.

Ако обаче електронът не е идеално кръгъл, а е леко овален или деформиран, това може да означава асиметрия в самите природни закони. Тази асиметрия би могла да се прояви като неравномерно разпределение на заряда на електрона, с лек превес на едната страна над другата. Ако такава асиметрия съществува, тя би могла да обясни защо при Големия взрив се е образувала повече материя, отколкото антиматерия, в резултат на което се е появила Вселената, доминирана от материя, която наблюдаваме днес.

Измерване на закръглеността с помощта на въртене

Изследователският екип използва сложен експериментален метод, за да проучи формата на електрона. Учените са използвали молекули на хафниев флуорид – вещество, чиято особеност е, че електронът е много далеч от ядрото, което го прави по-чувствителен към потенциалните ефекти на неравномерното разпределение на заряда. Тези частици са били електрически заредени и са били държани във вакуумна камера, за да се избегнат смущенията от други частици или електромагнитни полета.

След като молекулите на хафниевия флуорид са поставени на място, изследователите прилагат електрическо поле и наблюдават поведението на електроните. По-конкретно те са наблюдавали дали електроните се въртят или осцилират в това електрическо поле. Ако електроните не са идеално кръгли, а леко овални или деформирани, електрическото поле ги кара да се въртят, променяйки енергийните нива на молекулите на хафниевия флуорид.

Но въпреки прецизността на експеримента изследователите не откриха разлика в тези енергийни нива, независимо от приложеното електрическо поле. Както се посочва в съобщението за пресата, това ясно показва, че електроните са идеално кръгли.

Какво следва?

Това потвърждение на идеално кръглата форма на електрона, макар и в съответствие с очакванията, има дълбоки последици за разбирането ни за Вселената и асиметрията на материята и антиматерията. То подсказва, че ако съществува асиметрия в природните закони, тя трябва да се проявява по по-фин начин, отколкото сме в състояние да открием понастоящем.

За да обяснят асиметрията на материята и антиматерията във Вселената, някои теоретични физици са предположили съществуването на неизвестни субатомни частици. Тези частици, ако съществуват, могат да имат свойства, които да наклонят баланса в полза на материята по време на Големия взрив. По-конкретно тези частици биха могли да се появяват и изчезват около електрона – явление, известно като „квантови флуктуации“.

Те обаче ще бъдат толкова масивни и следователно ще изискват толкова много енергия за създаването си, че няма да могат да бъдат открити дори от най-големия ускорител на частици в света – Големия адронен колайдер (LHC) край Женева. Ето защо изследването на кръглата форма на електроните е толкова важно. Ако тези частици наистина съществуват и влияят на формата на електрона, измерването на неговата закръгленост може да бъде косвен, но ефективен начин за откриване на тяхното присъствие.