電子の周りにある電界の形状を最も正確に測定することに成功

・研究者たちは、物理学の標準モデルでは説明できない不思議な粒子のサインを発見しました。

・彼らは、電子の周りにある磁場が自発的に新しい粒子に変化することを発見しました。

 

素粒子物理学の標準理論では、電子は負の電荷を帯びた素粒子で、原子の球状の殻の中に存在し、半径の違いでエネルギーレベルが変わってきます。球殻が大きいほど、電子は高いエネルギーをもっています。電子は非常に小さい粒子ですが、宇宙の仕組みを理解するのに役立っています。

 

最近、ハーバード大学の研究チームが電子の周りの磁場の形状を精密に測定した結果、標準モデルを説明するいくつかの理論に再検証する必要があることがわかりました。

 

これは、研究者が今日まで出会ってきた中で最高の測定値です。これは、物理学の標準モデルでは説明できないエキゾチックな粒子のサインを見つけるための、ACME（advanced cold molecule electron electric dipole moment　高度コールド分子 電子電気双極子運動量）探索と名付けられた10年にわたるプロジェクトから生まれたものです。

 

電子双極子運動量

標準モデルで説明できない2大観測は:

1・宇宙における物質と反物質の非対称性

2・暗黒物質

 

時間の絶対的な始まり（0〜10-43秒、プランク時代）には、宇宙は物質と反物質が等しく存在する極めて高温で小さな場所でした。ビッグバンから1秒後、宇宙は光子、陽子、電子、反電子、中性子、ニュートリノで満たされていました。

 

星や惑星、空などがどのように形成されたかを説明する一般的な理論があります。その理論には「時間反転の侵害」と呼ばれる現象が必要で、それを見るとミクロの物理学で時間がどちらに流れているか判断できます。しかし、標準モデルでは、これを説明するのにデータがたりません。

 

もうひとつの謎は、暗黒物質です。銀河を通過する光の方向を観測することで、暗黒物質を確認することができるのです。銀河の円盤の回転周波数から、科学者たちはこれを駆動する何かがあるはずだと考えていますが、それが何であるかはまだ分かっていません。

 

物質と反物質の非対称性を、宇宙に存在する新しい粒子を予測することで説明する理論は数多くあります。その中には、暗黒物質の候補とされる粒子もあります。

 

多くの科学者が大型ハドロン衝突型加速器を使ってこれらの新しい粒子を研究していますが、今回発表されたのは、大型のオフィスサイズの装置を使って、「電子双極子モーメント」（電子の周りの場が自発的に予測される粒子に変換されていることを示す証拠）を研究したものです。

 

研究者によると、磁場と粒子の間では常に変化が起こっていて、磁場は粒子に変化し、粒子は磁場に戻って崩壊しています。

 

この変化を観察するために、研究者たちはこれらの予測された粒子を「仮想的に作られた粒子」と呼んでいる。電子を、両端に小さな正と負の電荷を持つ分子のように見せるという考え方です。電界を持つ電子は完全な球体ではなく、かなりつぶれた状態になっています。

 

どのように実現したのか?

 

画像元: Stephen Alvey/Michigan Engineering

 

これを実現するために、研究者たちは、レーザーが特定の量子状態になる小さな部屋にビーム（冷たい酸化トリウムの分子を含む）を発射しました。レーザーは、監視された磁場の中で2枚の荷電プレートの間を通過するため、分子と電子の向きを変えることができます。

 

別の「読み取り用」レーザーは、チャンバーから出てくる分子に焦点を当て、発光させます。この光を観察することで、電子が飛行中に転がるか、ねじれるかを検出することができます。

 

今回の研究では、電子の双極子モーメントが観測されなかったと報告されています。このことは、新しい粒子が予想されたものとは異なる性質を持つことを示しています。標準模型を超える粒子を説明する理論には、重大な見直しが必要かもしれません。

 

この研究では、標準モデルの先に何があるのかを説明することはできませんが、今後も努力を続けていく価値があることは間違いありません。