电子是什么形状的？第1页

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物理学家期望找到电子的非对称性，以便证实超对称理论。然而，一个进行了10年之久的实验却得出残酷的结论：电子圆得完美无缺。

哈佛大学的约翰·多伊尔（John Doyle）直言不讳：“实验结果简直令人难以置信。”

多伊尔团队参与的一个跨高校实验项目ACME（Advanced Cold Molecule Electron EDM，先进冷分子电子电偶极矩研究）最近发现：电子圆得超乎想象！

电子圆到什么程度？即便把它放大到太阳系的尺寸，其各向半径之间的差别也不超过一根发丝——时隔两千多年，物理学家终于在物质的内部找到了古希腊哲学家亚里士多德认为只会存在于天界的完美形状。

这真是个意外的结局。实际上物理学家一直想找到电子的缺陷。他们本以为这种与中子和质子共同构成原子的带负电的基本粒子表面略有凹凸。这倒不是因为古希腊哲学认为自然界不存在完美的圆球，而是物理学家的那些理论让他们有这样的想法。

理论影响重大

尤其是近40年来，他们寄希望于用超对称理论来描述微观世界。这个理论的基础是假设存在一种尚未被发现的，能够感应电子磁场振荡方向的粒子；在电子磁场作用下，这群假想粒子会在电子四周作不均匀分布，导致电子负电分布发生变化，引发轻微的对称破缺。

另一个原因是标准模型预言电子是一个完美的圆球。“我们知道标准模型并不完美。”参与ACME项目的另一名哈佛大学物理学家杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）介绍道，“然而这次的实验设备，精度首次达到了与可能超越标准模型的理论预测相匹配的水平。”

电子的形状于是便有了重要的理论价值：如果其表面凹凸不平，那么对称理论将终于得到实验证明。

的确，这10年来，随着实验条件不断改善（见上方图解），ACME项目所能达到的细节水平已有助我们对标准模型和超对称理论的正确性做出评判。

巴黎高等师范学院卡斯特勒-布罗塞尔实验室主任保罗·因代利卡托（Paul Indelicato）强调：“这是将现今实验技术发挥到极致所取得的突破，由一群能力超群、无比坚定的人做到了。”

2014年1月，科学家得到了这个令人难以置信的结果：电子的形状接近完美。对称破缺的概率不会超过十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一。

“上帝决定，我们观察……”杰拉尔德·加布里埃尔斯言简意赅。法国萨克雷理论物理研究所的菲利波·萨拉（Filippo Sala）则更直接：“ACME项目组的结论实在算不上是好消息……”

因为它对超对称理论是一个沉重打击。

“当然，基于ACME的结果，我们尽可想象一些能够迎合超对称理论预言的物理机制。”菲利波·萨拉解释说。法国奥赛理论物理实验室的阿卜戴勒哈克·朱阿迪（Abdelhak Djouadi）补充道：“超对称的粉丝们可以洗洗睡了，或是继续梦想！”——寄望欧洲粒子物理研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）能发现超对称粒子。

然而菲利波·萨拉也指出“要论证这些调整并非易事”。确切地说，电子很可能会把理论物理学家们逼入绝境，抛出些效果不一的理论修正。

物理学家的南墙

目前，ACME项目组的研究人员仍继续寻找着电子的微小瑕疵。“五年内，实验精度可提高10倍。”耶鲁大学的戴夫·德米耶（Dave DeMille）解释道。而且谁也拦不住它哪一天再提升10倍。届时，标准模型的所有延伸理论将迎来终极大考，包括有关重粒子的预言——大型强子对撞机找到这些重粒子的可能性现已排除。

当然，这一切都只是个时间问题：要么有朝一日在电子表面找到微小的对称破缺，世上隐藏最深的秘密随即被揭开；要么电子始终保持其完美形状，令现有假设灰飞烟灭，将物理学家推回对物质模糊认知的起点。然而在此之前，电子对我们来说就是完美的圆球……

撰文 Mathieu Grousson

编译郑丁葳

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