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在量子力学中，电子通常被描述为一个负电荷的球状云。在理论上，电子的形状被认为是完美的球体，这意味着它的电荷均匀分布在其整个表面。然而，电子实际上是一个量子粒子，因此它没有固定的大小和形状，而是以概率分布的形式存在于一个特定的空间区域。在实验中，科学家们努力测量电子的电偶极矩，以确定它是否具有非球形的形状。到目前为止，所有的测量结果都显示电子非常接近于球形。
如果电子的形状不那么“球”，那么这可能有助于解释物理学理解中的一些基本问题，包括宇宙为什么存在物质而非空无一物。 鉴于这个问题的重要性，过去几十年来，物理学家一直在坚持不懈地寻找电子形状中的任何不对称。如今实验的灵敏度已经达到了相当高的水平，以至于如果把一个电子放大到地球的大小，它们能够检测到北极处一个仅高出一个糖分子的隆起。
最新的结果显示：电子比那还要圆（那样的隆起都没有）。这一新的测量结果让那些希望寻找新物理学迹象的人感到失望。 标准模型的缺陷粒子物理的标准模型是我们目前对宇宙中所有基本粒子的最完整和最准确的理论描述。在过去几十年的实验测试中，这个理论表现得非常出色，但仍然存在一些尚未解决的重要问题。这些问题在当前的理论框架下无法得到解释，需要寻找新的物理学理论来解决。
首先，物质的存在本身就证明了标准模型是不完整的，因为根据这个理论，大爆炸应该产生相等的物质和反物质，这些物质和反物质本应相互湮灭（annihilated）。 在1967年，苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫提出了一个可能的解决方案，以解释为什么物质在宇宙中占据主导地位。他的推测是指，在自然界中一定存在一种特殊的微观过程，当这个过程反向进行时，它的表现形式会有所不同。这可能导致物质在宇宙中逐渐占据主导地位，而反物质则相对较少。 在此之前的几年里，物理学家们已经在介子（kaon）粒子的衰变中发现了这种现象。然而，这个现象仅仅发现在介子中还不足以解释物质和反物质之间的不对称现象，因此科学家们继续寻找其他可能的解释。
从那时起，物理学家们一直在寻找能进一步解释物质和反物质不对称现象的新粒子的线索。这意味着，他们希望找到一种或多种新粒子，这些粒子可能对物质和反物质的演化过程产生更大的影响，使得物质在宇宙中更加占据主导地位。这些新粒子可能是目前已知粒子模型之外的未知粒子，它们的发现将有助于揭示物理学中尚未解决的谜团。 有些物理学家为了寻找新粒子和新物理现象，直接使用大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）。大型强子对撞机是一个巨大且复杂的粒子加速器，被认为是人类建造过的最复杂的机器。它通过将粒子加速到接近光速并相互碰撞，来探测新粒子和新物理现象，从而提供关于宇宙基本粒子和力的更多信息。
但在过去的几十年里，一个相对低成本的替代方法出现了：物理学家们在研究已知粒子的性质时，会观察假设的（未被发现的）粒子是否会影响这些性质。通过研究已知粒子性质的变化，科学家们可以推测可能存在的新粒子，这有助于拓展我们对基本粒子和力的理解。这种方法是寻找新物理学的一种间接手段，通过寻找新粒子在已知粒子上留下的"足迹"，而非直接观察新粒子本身。 这样一个潜在的足迹可能出现在电子的圆度上。量子力学规定，在电子的负电荷云中，其他粒子不断地闪现并消失。如果存在一些超出标准模型的“虚拟”粒子（这些粒子有助于解释原始物质为何比反物质更占优势），那么电子的负电荷云可能呈椭圆形。在这种情况下，椭圆形的一端将具有较多的正电荷，而另一端将具有较多的负电荷，这类似于磁铁的两端。这种电荷分离现象被称为电偶极矩（EDM）。 标准模型预测电子的EDM非常微小——比目前技术能探测到的小近百万倍。因此，如果研究人员在今天的实验中检测到一个椭圆形状，那将揭示新物理学的明确痕迹，并揭示标准模型中可能缺失的部分。 为了寻找电子的电偶极矩，科学家会观察电子自旋（一种固有属性）的变化。电子的自旋可以通过磁场轻松调整，其中磁矩充当一个把手。在这些实验中，研究人员的目标是通过电场而非磁场来调整电子的自旋，此时电偶极矩充当一个电把手。也就是说，如果电子是完美的球形，那么在施加电场时，没有地方可以施加扭矩使电子自旋改变方向。但如果电子有一个明显的电偶极矩，即电荷分布不均匀，那么当施加电场时，它将利用电偶极矩来影响电子的自旋。 2011年，伦敦帝国理工学院的研究人员发现，通过将电子与一个质量较大的分子相结合，可以放大这种电偶极矩的效果。自那时以来，两个主要的研究团队（ACME团队和JILA团队）相互竞争，每隔几年就在精度上取得显著提高，实现了越来越精确的电子电偶极矩测量。在过去的十年里，这两个竞争团队的测量灵敏度提高了200倍，但仍然没有看到EDM。 芝加哥大学的物理学家David DeMille是其中一个团队组的负责人，他说：“这有点像一场比赛，但我们不知道终点在哪里，甚至不知道是否有终点。” 通往未知的竞赛为了继续向前，研究人员需要两件事：更多的测量和更长的测量时间。 ACME团队优先考虑测量的数量。他们将一束中性分子射向实验室，每秒探测数千万个分子，但每个分子只测量几毫秒。JILA团队测量的分子较少，但测量时间较长：他们每次捕获几百个分子，然后测量它们长达三秒钟。 提高对电子圆度的精确探测相当于在更高能量尺度上寻找新物理，或寻找更重粒子的迹象。这个新的实验结果对能量大约在10^13电子伏以上的现象具有敏感性，这比大型强子对撞机目前能够测试的能量范围要高出一个数量级。几十年前，许多理论家预测新粒子的迹象将在远低于这个能量范围的地方被发现。然而，每次实验敏感度提高时，一些原有的观点都会受到质疑，需要重新审视。 通过寻找电子的电偶极矩，这些实验希望能够发现超出标准模型的新物理现象，即揭示物理学中尚未解决的谜团。如果这些实验能够探测到非零的电子电偶极矩，这将说明标准模型不完整，并将为新物理学的发现铺平道路。这将引起其他精密测量实验和更大粒子对撞机的一系列后续研究，以进一步探索这个新的物理学领域。因此，这些EDM实验被认为是发现新物理学迹象的梦想实验。 |
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