科学家最近对电子形状的最精确测量实验，给诸多新的物理理论带来了冲击，首当其冲的就是受到广泛认可的超对称理论。
现有的最精确的电子形状测量为超对称等理论蒙上阴影。超对称理论预测，宇宙中存在着大量未被发现的基本粒子。 科学家一致认为目前的物理理论是不完整的。然而至今为止，所有探索更深层理论的努力带给人们的只有失望。电子形状作为一个物理性质，被公认为能揭示新的潜在物理规律。但是最近，在对电子形状的最灵敏的测试中，没有任何迹象表明新的现象存在。这个研究结果将众多理论排除在物理规律的大门之外，这其中就包括颇为流行的超对称（supersymmetry）理论。 这个结果来自对电偶极矩（electricdipole moment）的相关研究。大家熟悉的一个偶极子（dipole）的例子就是条形磁铁。把条形磁铁看作是个有南北极的哑铃，这将有利于我们理解偶极子。传统来说，电子被认为是球形的。但是，如果电子具有偶极矩（dipolemoment）的话，它的形状将会微微偏向于扁球体。“现在的问题是：无论你采取何种手段观察，电子的形状都是一致的吗？”英国伦敦帝国学院（ImperialCollege London）的物理学家强尼·哈德森（Jony Hudson）解释道，“物理学家通过测量电子的偶极矩，来说明它是否完全对称。” 宇宙中所有已知的基本粒子都可以由标准模型（The StandardModel）来描述。标准模型预言，电子的电偶极矩为零。然而，在那些包含了若干未知粒子的理论中，电子的电偶极矩远大于零。50年来，物理学家一直在对电子的偶极矩进行研究。由耶鲁大学（YaleUniversity）的大卫·德米勒（DavidDeMille）和约翰·道尔（John Doyle），以及哈佛大学（HarvardUniversity）的杰拉尔德·加布里尔斯（GeraldGabrielse）牵头组建的ACME合作研究组（ACMEcollaboration），重复了相关实验，其测量精度比之前的实验提高了10倍，但结果依然没有发现电子电偶极矩不为零的迹象。根据ACME合作研究组发表在预印版网站arXiv上的结果，电子的半径不大于0.00000000000000000000000000001厘米。“这的确令人惊讶，” 同样来自英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹（Ed Hinds）说道，“电子电偶极矩始终为零，这究竟是为什么呢？” 海因兹曾在2011年的实验中同哈德森合作。 这些实验是在探测电子的量子属性。根据量子力学，所有的粒子，包括电子，都会在真实存在的粒子周围形成一个边界模糊的概率云，概率云在向外扩展的同时变得稀薄，并最终消失。如果是在标准模型所描述的范围内，所有的粒子都表现得很正常。但是如果现在有一种不包含在标准模型之中的奇异粒子，它必将出现在电子的概率云中。这样，概率云就不对称了。这也就是说，电子产生了一个不为零的偶极矩。 为了研究这种非对称性，科学家让电子旋转，以测试它们到底是球形还是椭球形。台球旋转起来十分顺畅，而鸡蛋却会摇摇晃晃一样，这样的现象同样适用于具有电偶极矩的电子。。ACME的研究人员选取一氧化钍中的电子进行观测，因为这种分子质量大，且能使摇晃更加显著。“他们选取一氧化钍来研究是十分聪明的，”哈德森说道，他自己曾用过另一种分子氟化铽进行实验，“我有点嫉妒他们，要是我当时想到用一氧化钍就好了。”早前的几代实验都是在单个原子上进行观测，因此难度要远大于现在。ACME的科学家依靠微波波谱来进行精确测量，以探测电子的摇晃。同时，他们还需要在保证实验环境完全不受磁场和污染上花费大量精力，上述原因都可能引起系统误差。“这相当困难，因为很多东西都会引发电子旋转中的摇晃，而电子的偶极矩本身又是一个如此微小的物理量，” 英国伦敦帝国学院研究组的另一位成员本·索尔（Ben Sauer）说。 这个新的实验结果给诸多新的物理理论带来了冲击，首当其冲的就是受到广泛认可的超对称理论。超对称理论认为，宇宙中的每一种已知粒子都存在一个未被发现的超对称对应粒子。“超对称理论是如此优美，以致人们就自然而然的预设它是正确的了。”海因兹说。但是如果这些对应粒子真实存在，它们就会隐藏在电子的概率云中，这也就赋予了电子一个不为零的偶极矩。然而，相关的实验现象却一直未被观测到，这已经将超对称理论逼入了绝境。“超对称是否正确，结果即将揭晓。”哈德森说。虽然超对称的一些简单模型已被最新的实验结果所否认，但更复杂的理论预言，电子依旧可能存在一个科学家目前还无法探测到的微小偶极矩。“你可以为超对称理论建立无数个模型，”加州大学伯克利分校（Universityof California, Berkeley）的物理学名誉教授尤金·康明斯（EugeneCommins）告诉我们。他曾领导研究组进行了上一次原子的偶极矩测量。“一个优秀的理论物理学家可以在半小时内建立一个新模型，但实验物理学家否定它却要用20年。” 寻找超对称粒子是建造大型强子对撞机（Large HadronCollider，简称LHC）的一个主要目标。LHC是世界上最大的粒子加速器，在其位于法国和瑞士边界的地下加速隧道中，质子可以被加速到接近光速，然后对撞产生新的粒子。LHC的加速器足以探测高达太电子伏特（TeV，即1012电子伏特）级别的能量，而这正是预测中超对称粒子的能量范围。目前，有迹象显示，除了标准模型所需的希格斯玻色子外，并不存在新的基本粒子。“如果在LHC所能探测的能量范围内发现了新的物理规律，就可以期待电子会产生一个远大于目前极限的偶极矩。”海因兹说，“现在有了这个最新的实验结果，可以相当肯定地说，在TeV级别上存在新理论是不可能的。”尽管结果令人失望，但是实验物理学家依然进行着更为精确的实验，以期实验中出现一个不曾探测过的信号，带来惊喜。与此同时，物理学家们热切盼望着2014年LHC的再次运行，因为那时它将探索更高能量范围的未知世界。
现有的最精确的电子形状测量为超对称等理论蒙上阴影。超对称理论预测，宇宙中存在着大量未被发现的基本粒子。 科学家一致认为目前的物理理论是不完整的。然而至今为止，所有探索更深层理论的努力带给人们的只有失望。电子形状作为一个物理性质，被公认为能揭示新的潜在物理规律。但是最近，在对电子形状的最灵敏的测试中，没有任何迹象表明新的现象存在。这个研究结果将众多理论排除在物理规律的大门之外，这其中就包括颇为流行的超对称（supersymmetry）理论。 这个结果来自对电偶极矩（electricdipole moment）的相关研究。大家熟悉的一个偶极子（dipole）的例子就是条形磁铁。把条形磁铁看作是个有南北极的哑铃，这将有利于我们理解偶极子。传统来说，电子被认为是球形的。但是，如果电子具有偶极矩（dipolemoment）的话，它的形状将会微微偏向于扁球体。“现在的问题是：无论你采取何种手段观察，电子的形状都是一致的吗？”英国伦敦帝国学院（ImperialCollege London）的物理学家强尼·哈德森（Jony Hudson）解释道，“物理学家通过测量电子的偶极矩，来说明它是否完全对称。” 宇宙中所有已知的基本粒子都可以由标准模型（The StandardModel）来描述。标准模型预言，电子的电偶极矩为零。然而，在那些包含了若干未知粒子的理论中，电子的电偶极矩远大于零。50年来，物理学家一直在对电子的偶极矩进行研究。由耶鲁大学（YaleUniversity）的大卫·德米勒（DavidDeMille）和约翰·道尔（John Doyle），以及哈佛大学（HarvardUniversity）的杰拉尔德·加布里尔斯（GeraldGabrielse）牵头组建的ACME合作研究组（ACMEcollaboration），重复了相关实验，其测量精度比之前的实验提高了10倍，但结果依然没有发现电子电偶极矩不为零的迹象。根据ACME合作研究组发表在预印版网站arXiv上的结果，电子的半径不大于0.00000000000000000000000000001厘米。“这的确令人惊讶，” 同样来自英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹（Ed Hinds）说道，“电子电偶极矩始终为零，这究竟是为什么呢？” 海因兹曾在2011年的实验中同哈德森合作。 这些实验是在探测电子的量子属性。根据量子力学，所有的粒子，包括电子，都会在真实存在的粒子周围形成一个边界模糊的概率云，概率云在向外扩展的同时变得稀薄，并最终消失。如果是在标准模型所描述的范围内，所有的粒子都表现得很正常。但是如果现在有一种不包含在标准模型之中的奇异粒子，它必将出现在电子的概率云中。这样，概率云就不对称了。这也就是说，电子产生了一个不为零的偶极矩。 为了研究这种非对称性，科学家让电子旋转，以测试它们到底是球形还是椭球形。台球旋转起来十分顺畅，而鸡蛋却会摇摇晃晃一样，这样的现象同样适用于具有电偶极矩的电子。。ACME的研究人员选取一氧化钍中的电子进行观测，因为这种分子质量大，且能使摇晃更加显著。“他们选取一氧化钍来研究是十分聪明的，”哈德森说道，他自己曾用过另一种分子氟化铽进行实验，“我有点嫉妒他们，要是我当时想到用一氧化钍就好了。”早前的几代实验都是在单个原子上进行观测，因此难度要远大于现在。ACME的科学家依靠微波波谱来进行精确测量，以探测电子的摇晃。同时，他们还需要在保证实验环境完全不受磁场和污染上花费大量精力，上述原因都可能引起系统误差。“这相当困难，因为很多东西都会引发电子旋转中的摇晃，而电子的偶极矩本身又是一个如此微小的物理量，” 英国伦敦帝国学院研究组的另一位成员本·索尔（Ben Sauer）说。 这个新的实验结果给诸多新的物理理论带来了冲击，首当其冲的就是受到广泛认可的超对称理论。超对称理论认为，宇宙中的每一种已知粒子都存在一个未被发现的超对称对应粒子。“超对称理论是如此优美，以致人们就自然而然的预设它是正确的了。”海因兹说。但是如果这些对应粒子真实存在，它们就会隐藏在电子的概率云中，这也就赋予了电子一个不为零的偶极矩。然而，相关的实验现象却一直未被观测到，这已经将超对称理论逼入了绝境。“超对称是否正确，结果即将揭晓。”哈德森说。虽然超对称的一些简单模型已被最新的实验结果所否认，但更复杂的理论预言，电子依旧可能存在一个科学家目前还无法探测到的微小偶极矩。“你可以为超对称理论建立无数个模型，”加州大学伯克利分校（Universityof California, Berkeley）的物理学名誉教授尤金·康明斯（EugeneCommins）告诉我们。他曾领导研究组进行了上一次原子的偶极矩测量。“一个优秀的理论物理学家可以在半小时内建立一个新模型，但实验物理学家否定它却要用20年。” 寻找超对称粒子是建造大型强子对撞机（Large HadronCollider，简称LHC）的一个主要目标。LHC是世界上最大的粒子加速器，在其位于法国和瑞士边界的地下加速隧道中，质子可以被加速到接近光速，然后对撞产生新的粒子。LHC的加速器足以探测高达太电子伏特（TeV，即1012电子伏特）级别的能量，而这正是预测中超对称粒子的能量范围。目前，有迹象显示，除了标准模型所需的希格斯玻色子外，并不存在新的基本粒子。“如果在LHC所能探测的能量范围内发现了新的物理规律，就可以期待电子会产生一个远大于目前极限的偶极矩。”海因兹说，“现在有了这个最新的实验结果，可以相当肯定地说，在TeV级别上存在新理论是不可能的。”尽管结果令人失望，但是实验物理学家依然进行着更为精确的实验，以期实验中出现一个不曾探测过的信号，带来惊喜。与此同时，物理学家们热切盼望着2014年LHC的再次运行，因为那时它将探索更高能量范围的未知世界。
