Электрон остается сферическим

Несмотря на все более чувствительные измерения, у электрона не обнаружили дипольного момента, который позволил бы спрогнозировать существование новых экзотических элементарных частиц и поставить под сомнение закономерности Стандартной модели — теоретической концепции, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия («Nature», 2018, doi: 10.1038/s41586-018-0599-8).

Сегодня Стандартная модель элементарных частиц точно описывает все измерения, проведенные в лаборатории. Однако она не в состоянии дать ответы на вопросы, возникающие в результате космологических наблюдений, — какова природа темной материи, почему в наблюдаемой Вселенной больше материи, чем антиматерии. Ученые пытаются ответить на эти загадки мироздания, привлекая модель, включающую суперсимметрию (или симметрию Ферми — Бозе), в рамках которой возможны связь и взаимное превращение бозонных и фермионных квантовых полей. Если говорить проще, теорию суперсимметрии можно назвать «единой теорией поля» — согласно математическим и физическим допущениям, заложенным в ней, вещество может переходить в излучение, и наоборот. Суперсимметрия также предполагает как минимум удвоение числа известных элементарных частиц за счет суперпартнеров: для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее.

Удвоение количества элементарных частиц должно нарушать пространственно-временную симметрию и поэтому могло бы объяснить космологическую неравномерность распределения материи и антиматерии. Но это нарушение, в свою очередь, должно приводить к потере «элементарности» известных, а не существующих только в моделях, виртуальных, элементарных частиц. Например, некоторые закономерности симметрии Ферми — Бозе говорят о том, что электрон должен обладать электрическим дипольным моментом. В последние пять десятков лет ученые много раз пытались зафиксировать дипольный момент электрона — несколько неравномерное распределение заряда в электроне, которое могло бы подтвердить расширение единой модели.

Пока у элементарных частиц не наблюдали существование дипольного момента, однако, как говорил космолог Карл Саган, отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия — теоретически выкладки говорят о том, что те дипольные моменты, которыми должны обладать элементарные частицы в соответствии с моделью суперсимметрии, сравнимы по величине или даже меньше ошибок экспериментов. Поэтому, очевидно, точность существующих экспериментов не позволяет ни подтвердить, ни опровергнуть существование дипольного момента электрона.

Исследователи, работавшие под руководством Дэвида Демила из Йельского университета, провели наиболее точный на сегодня эксперимент, направленный на обнаружение дипольного момента электрона. С помощью лазеров они замедлили молекулы диоксида тория до состояния, характерного для ультрахолодных температур, после чего придали им одинаковое квантовое состояние. При прохождении таких молекул через электромагнитное поле лазерный детектор должен был фиксировать любые изменения в распределении зарядов электронов. Однако и в этом эксперименте, точность которого на порядок превышала точность всех предшествующих экспериментов, аномальное распределение заряда в электроне и, следовательно, его дипольный момент не обнаружили. Как отмечает Демил, в данной ситуации проще принять то, что у электрона нет дипольного момента и заняться альтернативными теориями.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 12/2018) на с. 6 — 7.