Qual è la forma di un elettrone? Se ricordi le immagini dei tuoi libri di scienze del liceo, la risposta sembra abbastanza chiara:un elettrone è una pallina di carica negativa più piccola di un atomo. Questo, però, è abbastanza lontano dalla verità.

L'elettrone è comunemente noto come uno dei principali componenti degli atomi che compongono il mondo che ci circonda. Sono gli elettroni che circondano il nucleo di ogni atomo che determinano come procedono le reazioni chimiche. I loro usi nell'industria sono abbondanti:dall'elettronica e saldatura all'imaging e acceleratori di particelle avanzati. Recentemente, però, un esperimento di fisica chiamato Advanced Cold Molecule Electron EDM (ACME) ha messo un elettrone al centro dell'indagine scientifica. La domanda che la collaborazione ACME ha cercato di affrontare era ingannevolmente semplice:qual è la forma di un elettrone?

Forme classiche e quantistiche?

Per quanto i fisici attualmente sanno, gli elettroni non hanno una struttura interna – e quindi nessuna forma nel significato classico di questa parola. Nel linguaggio moderno della fisica delle particelle, che affronta il comportamento di oggetti più piccoli di un nucleo atomico, i blocchi fondamentali della materia sono sostanze fluide continue note come "campi quantici" che permeano l'intero spazio intorno a noi. In questa lingua, un elettrone è percepito come un quanto, o una particella, del "campo elettronico". Sapendo questo, ha senso parlare della forma di un elettrone se non possiamo vederlo direttamente in un microscopio – o in qualsiasi altro dispositivo ottico per quella materia?

Per rispondere a questa domanda dobbiamo adattare la nostra definizione di forma in modo che possa essere utilizzata a distanze incredibilmente piccole, o in altre parole, nel campo della fisica quantistica. Vedere forme diverse nel nostro mondo macroscopico significa davvero rilevare, con i nostri occhi, i raggi di luce che rimbalzano su diversi oggetti intorno a noi.

In poche parole, definiamo le forme osservando come reagiscono gli oggetti quando dirigiamo loro la luce. Anche se questo potrebbe essere un modo strano di pensare alle forme, diventa molto utile nel mondo subatomico delle particelle quantistiche. Ci dà un modo per definire le proprietà di un elettrone in modo tale che imitino il modo in cui descriviamo le forme nel mondo classico.

Cosa sostituisce il concetto di forma nel micromondo? Poiché la luce non è altro che una combinazione di campi elettrici e magnetici oscillanti, sarebbe utile definire le proprietà quantistiche di un elettrone che trasporta informazioni su come risponde ai campi elettrici e magnetici applicati. Facciamolo.

Elettroni in campi elettrici e magnetici

Come esempio, considera la proprietà più semplice di un elettrone:la sua carica elettrica. Descrive la forza - e in definitiva, l'accelerazione che l'elettrone subirebbe - se posto in un campo elettrico esterno. Una reazione simile ci si aspetterebbe da una biglia carica negativamente, da qui l'analogia con la "palla carica" ​​di un elettrone che si trova nei libri di fisica elementare. Questa proprietà di un elettrone – la sua carica – sopravvive nel mondo quantistico.

Allo stesso modo, un'altra proprietà "sopravvissuta" di un elettrone è chiamata momento di dipolo magnetico. Ci dice come reagirebbe un elettrone a un campo magnetico. Nel rispetto, un elettrone si comporta proprio come un minuscolo magnete a barra, cercando di orientarsi lungo la direzione del campo magnetico. Anche se è importante ricordare di non esagerare con queste analogie, ci aiutano a capire perché i fisici sono interessati a misurare quelle proprietà quantistiche nel modo più accurato possibile.

Quale proprietà quantistica descrive la forma dell'elettrone? Ci sono, infatti, parecchi di loro. Il più semplice – e il più utile per i fisici – è quello chiamato momento di dipolo elettrico, o EDM.

Nella fisica classica, L'EDM si verifica quando c'è una separazione spaziale delle cariche. Una sfera elettricamente carica, che non ha separazione di cariche, ha un EDM pari a zero. Ma immagina un manubrio i cui pesi sono caricati in modo opposto, con un lato positivo e l'altro negativo. Nel mondo macroscopico, questo manubrio avrebbe un momento di dipolo elettrico diverso da zero. Se la forma di un oggetto riflette la distribuzione della sua carica elettrica, implicherebbe anche che la forma dell'oggetto dovrebbe essere diversa da quella sferica. Così, ingenuamente, l'EDM quantificherebbe il "manubrio" di un oggetto macroscopico.

Momento di dipolo elettrico nel mondo quantistico

La storia dell'EDM, però, è molto diverso nel mondo quantistico. Lì il vuoto attorno a un elettrone non è vuoto e fermo. Piuttosto è popolato da varie particelle subatomiche che esplodono nell'esistenza virtuale per brevi periodi di tempo.

Queste particelle virtuali formano una "nuvola" attorno a un elettrone. Se facciamo luce sull'elettrone, parte della luce potrebbe rimbalzare sulle particelle virtuali nella nuvola invece che sull'elettrone stesso.

Ciò cambierebbe i valori numerici della carica dell'elettrone e dei momenti di dipolo magnetico ed elettrico. L'esecuzione di misurazioni molto accurate di quelle proprietà quantistiche ci direbbe come si comportano queste sfuggenti particelle virtuali quando interagiscono con l'elettrone e se alterano l'EDM dell'elettrone.

Più intrigante, tra quelle particelle virtuali potrebbero esserci nuove, specie sconosciute di particelle che non abbiamo ancora incontrato. Per vedere il loro effetto sul momento di dipolo elettrico dell'elettrone, dobbiamo confrontare il risultato della misurazione con le previsioni teoriche delle dimensioni dell'EDM calcolate nella teoria dell'Universo attualmente accettata, il Modello Standard.

Finora, il Modello Standard descriveva accuratamente tutte le misurazioni di laboratorio che fossero mai state eseguite. Ancora, non è in grado di affrontare molte delle domande più fondamentali, come il motivo per cui la materia domina sull'antimateria in tutto l'universo. Il Modello Standard fa una previsione anche per l'EDM dell'elettrone:richiede che sia così piccolo che ACME non avrebbe avuto alcuna possibilità di misurarlo. Ma cosa sarebbe successo se ACME avesse effettivamente rilevato un valore diverso da zero per il momento di dipolo elettrico dell'elettrone?

Riparazione dei fori nel modello standard

Sono stati proposti modelli teorici che risolvono le carenze del Modello Standard, prevedere l'esistenza di nuove particelle pesanti. Questi modelli possono colmare le lacune nella nostra comprensione dell'universo. Per verificare tali modelli dobbiamo dimostrare l'esistenza di quelle nuove particelle pesanti. Questo potrebbe essere fatto attraverso grandi esperimenti, come quelli del Large Hadron Collider (LHC) internazionale producendo direttamente nuove particelle in collisioni ad alta energia.

In alternativa, potremmo vedere come queste nuove particelle alterano la distribuzione di carica nella "nube" e il loro effetto sull'EDM dell'elettrone. Così, l'osservazione univoca del momento di dipolo dell'elettrone nell'esperimento ACME dimostrerebbe che sono effettivamente presenti nuove particelle. Questo era l'obiettivo dell'esperimento ACME.

Questo è il motivo per cui un recente articolo su Nature sull'elettrone ha attirato la mia attenzione. I teorici come me usano i risultati delle misurazioni dell'EDM degli elettroni – insieme ad altre misurazioni delle proprietà di altre particelle elementari – per aiutare a identificare le nuove particelle e fare previsioni su come possono essere studiate meglio. Questo viene fatto per chiarire il ruolo di tali particelle nella nostra attuale comprensione dell'universo.

Cosa si deve fare per misurare il momento di dipolo elettrico? Dobbiamo trovare una sorgente di campo elettrico molto forte per testare la reazione di un elettrone. Una possibile fonte di tali campi può essere trovata all'interno di molecole come il monossido di torio. Questa è la molecola che ACME ha usato nel loro esperimento. Puntando laser accuratamente sintonizzati su queste molecole, si potrebbe ottenere una lettura del momento di dipolo elettrico di un elettrone, purché non sia troppo piccolo.

Però, come si è scoperto, è. I fisici della collaborazione ACME non hanno osservato il momento di dipolo elettrico di un elettrone, il che suggerisce che il suo valore è troppo piccolo per essere rilevato dal loro apparato sperimentale. Questo fatto ha importanti implicazioni per la nostra comprensione di ciò che potremmo aspettarci dagli esperimenti del Large Hadron Collider in futuro.

interessante, il fatto che la collaborazione ACME non abbia osservato un EDM in realtà esclude l'esistenza di nuove particelle pesanti che avrebbero potuto essere più facili da rilevare all'LHC. Questo è un risultato notevole per un esperimento di dimensioni da tavolo che influenza sia il modo in cui pianificheremmo le ricerche dirette di nuove particelle al gigantesco Large Hadron Collider, e come costruiamo teorie che descrivono la natura. È abbastanza sorprendente che studiare qualcosa di così piccolo come un elettrone possa dirci molto sull'universo.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.