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.

Læs også: Overraskelse for forskere: Elektroner er kuglerunde

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 udtrykt 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.

Læs også: Dansk fysikprofessor: »Fysikerne har et forklaringsproblem«

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.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Umiddelbart ville jeg betragte en kugle som det mest symmetriske du kan opdrive, men det viser vel bare at jeg ikke forstår de finere detaljer i kvantefysik.

  • 2
  • 0

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.

Hvordan kommer man frem til konklusionen om, at den er næsten perfekt kuglerund? Trykker man en kugle fladere, som det vil ske ved enhver ikke-masseløs kugle, der sættes i rotation (elektronen har magnetisk moment), vil den vel stadig ikke have noget elektrisk dipolmoment? Et elektrisk dipolmoment fremkommer vel først, hvis den er asymmetrisk som f.eks. et æg?

  • 1
  • 0

Hvordan kommer man frem til konklusionen om, at den er næsten perfekt kuglerund? Trykker man en kugle fladere, som det vil ske ved enhver ikke-masseløs kugle, der sættes i rotation (elektronen har magnetisk moment), vil den vel stadig ikke have noget elektrisk dipolmoment? Et elektrisk dipolmoment fremkommer vel først, hvis den er asymmetrisk som f.eks. et æg?

Fra artiklen:

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.

  • 0
  • 0

Fra artiklen: 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.

Ja, men der står også følgende:

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.

En fladtrykt kugle er ikke asymmetrisk som et æg og vil derfor ikke slingre, så hvordan beviser eksperimentet, at elektronen er kuglerund og ikke bare symmetrisk?

Iøvrigt anser jeg det for utænkelig, at elektronen i praksis ikke skulle have nogen størrelse eller struktur. Uden størrelse vil det magnetiske moment jo være 0, da magnetisk energi er kinetisk energi, som bliver 0 ved radius 0.

  • 2
  • 0

Bemærk:

den har i kvantemekanisk forstand hverken en størrelse eller en struktur

Elektronen ér ikke en kugle. Symetrisk eller ej. Den er nærmere et felt eller en bølgefunktion. - Det er bare meget nemmere at 'se' den som en kugle eller et punkt

  • 2
  • 0

Elektronen ér ikke en kugle. Symetrisk eller ej. Den er nærmere et felt eller en bølgefunktion. - Det er bare meget nemmere at 'se' den som en kugle eller et punkt

Hvis elektronen eller det felt, den skaber, ikke er kuglerundt, hvad drejer denne artikel sig så om?

Det er overordentlig interessant om elektronen eller feltet er kuglerundt eller bare symmetrisk, for hvis elektronen kan opfattes som kuglerund samtidig med at den har et magnetisk moment dvs. roterer/spinner, må den være masseløs, da erhvert roterende objekt med masse ikke vil kunne bevare kugleformen ved rotation.

Jeg ved godt, at elektronen ikke kan have det magnetiske moment, den tilsyneladende har, uden at have en hel vild vinkelhastighed på omkring 10^32 rad/s, så modellen med kuglen er sikkert ikke hele sandheden; men et magnetisk moment opstår ikke uden at ét eller andet bevæger sig. Det interessante for mig er, om dette ét eller andet har masse, og det kan formen fortælle noget om.

  • 4
  • 0

Huh, Carsten!

Du kommer til at spørge nogen der ved mere end jeg.

Ellers skal jeg bare til at finde og citere sider på nettet. - Det kan du jo gøre selv, med bedre udbytte.

Jeg vil med spænding se frem til svarene :-)

  • 3
  • 0

da erhvert roterende objekt med masse ikke vil kunne bevare kugleformen ved rotation.

Er du sikker på det? Jeg ved det ikke selv. Det kunne se lidt ud til, at du blander klassisk mekanik og kvantemekanik... :-) Jeg håber selv at få tid til at studere kvantemekanik på et tidspunkt ved efterudd. eller selvstudium. Jeg har bogen fra kurset på DTU liggende.

  • 1
  • 0

AD: Når man læser og sammenholder ovenstående, så får man uvægerligt den fornemmelse at problemerne med "at måle 1 elektron" eller "kvantemekaniske partikler" i virkeligheden bunder i at man fortrinsvis stiller et partikel-spørgsmål hvor indicierne ellers indikerer bølgespørgsmål og svar på disse. Lys (photon) er pr. definition elektromagnetiske bølger og frekvenser. Hvordan kan en bølge udvælge en enkelt elektron i en stående bølge eller sky af elektroner? Hvorfor leder man efter og spørger efter partikelsvar når der tydeligvis kun er tale om elektromagnetiske bølger og elektromagnetiske felter?

Spar mig for partikel-bølge dualiteten og bølgefunktionskollapset. Der findes ikke én eneste fysiker i hele verden, der forstår dem, dvs. at fysikerne ikke forstår deres egne teorier! Partikel-bølge dualiteten er kun indført, fordi bl.a. fotonmodellen ikke kan forklare ét eneste af de fysiske fænomener, vi ser omkring lys, radiobølger og elektrisk udbredelse på en ledning incl. dobbeltspalteeksperimentet og den sidst tilkomne med den optiske Bernoulli kraft http://ing.dk/artikel/forskere-opdager-ny-... .

Normalt er det sådan, at når et eksperiment falsificerer en teori, må man se sig om efter noget andet; men ingen inden for den etablerede fysik vover at stille spørgsmålstegn ved Einstein og Bohr, så selv om man nu står med de - i mine øjne - mest rablende, vanvittige teorier, som f.eks. kraftudbredelse vha. virtuelle partikler i strid med energibevarelsessætningen og en fotonmodel, som er en matematisk umulighed, er det pr. definition sådan, at verden ser ud. Man har sågar lige fejret 100 års jubilæet for Bohrs skrup forkerte atommodel, som giver et solspekter, som er lige modsat af, hvad vi oplever (lys, hvor der mangler lys), og som hævder, at man momentant kan udsende et smalspektret signal (f = (E1-E2)/h), på trods af, at enhver radioamatør med selv den laveste licens ved, at dette er umuligt.

Hvis der er ét eller andet, som man ikke forstår, kalder man det bare kvantemekanik, og så er selv de mest vanvittige forklaringer tilladt; men i mine øjne er kvantemekanik bare almindelig mekanik, hvor man står med én partikel ad gangen. Jeg ser absolut igen grund til at de fysiske love, som virker på milliarder af partikler, ikke også skulle virke på én eneste.

Back to basics - gerne; men det er i min verden til tiden før Einstein, hvor det var tilladt at tænke logisk!

  • 3
  • 5
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten