重磅《Science》封面：电子是完美的圆球吗？迄今为止最精确的测量！

　　从古希腊时期的原子论，一直到现代的量子力学，人类融合了哲学和科学的火花，逐渐构建起对微观粒子世界的超酷描述。就像是一场绝妙的实验秀，我们将理论和实验相互碰撞，终于抵达了标准模型的顶峰，揭示了宇宙中最炫酷的秘密。

　　标准模型中最后一个被实验证实的基本粒子是希格斯玻色子。它在媒体上被亲切地称为"上帝粒子"，没有它，就没有人们所见的世界。

　　它与空间中的物体的质量的形成有关。有了质量，粒子才会结合为原子，有了原子，才会有分子，有了分子，才能有物体。

　　Figure 1. 希格斯玻色子

　　质量不仅仅是物质的量，还与物体获得加速度的难度有关。以大卡车和小轿车为例，大卡车刹车或加速比小轿车更困难，需要更多时间和能量。难度越大，质量越大。

　　粒子在空间中行进时也会遇到某种阻碍，需要付出才能加速，在宏观世界表现为质量。这种机制被称为希格斯场。

　　布莱恩·葛林提出有趣的比喻，将希格斯场想象为狗仔队，而空间中的物质是明星。狗仔队看到明星就会围住，明星必须努力挤出才能逃脱，挤得越费劲、与狗仔队互动越多，受到的阻碍越大，这也说明他的名气越大。明星的名气相当于物质的质量，不同物质（基本粒子）的质量各不相同。

　　2012年，通过对撞机实验初步确认发现了希格斯粒子，定名为希格斯玻色子（Higgs Boson），证明了希格斯场的存在，这一发现标志着粒子物理标准模型（SM）的完成。

　　虽然SM是已知基本粒子及其相互作用的最佳理论，但有证据表明SM是不完整的。缺点是SM预测宇宙大爆炸后，首先有无数的质子、中子和电子与它们的反物质对应物一起形成，物质和反物质的数量几乎相等，这将导致物质和反物质粒子相互湮灭后宇宙充满光。

　　但事实是：如果宇宙是完全对称的，物质和反物质的数量相等，那么故事就结束了——人类将永远不会存在。一定存在一种不平衡——一些剩余的质子、中子和电子——形成了原子、分子、恒星、行星、星系，最终形成了人类。

　　那么这种不平衡到底是什么呢？

　　物理学家安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)概述了创造物质不平衡所需的基本条件，称为宇宙重子不对称性(BAU)，它允许我们存在。萨哈罗夫条件之一，即时间对称性破坏（TSV），表明除SM之外的其他粒子和相互作用有待发现。

　　Figure 2. 电子由负电荷组成

　　寻找不对称证据的一个地方是电子的电偶极矩 (eEDM)。电子由负电荷组成，eEDM 表示电荷在电子北极和南极之间分布的均匀程度。电子是基本粒子，它们的对称性告诉我们宇宙的对称性。任何高于零的 eEDM 测量值都将证实不对称性；电子将更像蛋形而不是圆形。但没有人知道这种偏差到底有多小。

　　今日，《Science》封面发表了题为“An improved bound on the electron’s electric dipole moment”的重磅研究成果，研究人员使用限制在分子离子内的电子，经受巨大的分子内电场，并相干演化长达3秒，提出迄今为止最精确的电子的电偶极矩（eEDM）测量。本文的结果证实了电子真的非常非常圆！测量精确度比之前的最佳上限提高了约2.4倍。该结果为上述新物理学的广泛类别提供了限制10 13电子伏特，超出了当前粒子对撞机或未来几十年可能可用的粒子对撞机的直接范围。

　　Figure 3. Science封面

　　新的测量非常精确，具体有多精确呢？举个例子，如果电子的大小与地球一样大，那么其形状的任何不对称性都必须小于原子的尺度。

　　进行如此精确的测量非常困难，因此需要巧妙的设计实验。

　　在最基本的层面上，电子是点状粒子，没有明确的大小和形状。但在量子场论中，电子可以被认为是被临时的“虚拟”粒子包围，这些粒子会突然出现和消失，从而给每个电子带来一个球形的电荷晕。如果发现这个光环只是略呈蛋形，那就可能表明宇宙是如何向物质倾斜的。

　　如果电子真的略呈蛋形，电场就会对它们施加扭矩，就像重力使端立的鸡蛋翻倒一样。

　　为了了解该扭矩，研究小组寻找氟化铪带电分子能级的变化。

　　Figure 4. 概念图

　　研究人员使用紫外线激光从分子上剥离电子，形成一组带正电的离子，并将它们捕获。在陷阱周围交替电磁场，分子被迫与场对齐或不对齐。然后研究人员使用激光测量了两组的能量水平。

　　他们的实验使他们比过去的尝试有更长的测量时间，这给了他们更高的灵敏度。然而，该小组的测量结果表明，电子并没有移动能级，这表明他们目前所能测量到的最佳结果是，电子是圆形的。

　　目前，本篇Science的结果没有显示出任何隐藏粒子的痕迹，从而进一步加深了宇宙如何充满物质而不是反物质的神秘面纱。

　　虽然该小组没有发现不对称性，但其结果将帮助该领域继续寻找早期宇宙不对称性的答案。只要人们追寻探索真相的脚步永不停歇，最终肯定会有人找到它。

　　来源：高分子科学前沿

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