Kuantum mekaniğinde bir elektronun yük merkezi ve kütle merkezi farklılık gösterebilir mi?

They yapabilir. Parçacık fiziği , elektronların (ve diğer nokta parçacıkların) kütle ve yük merkezlerinin farklı konumlarda olmasına izin verir ve bu da onlara içsel bir elektrik dipol momenti verir. Elektron için bu, şaşırtıcı olmayan bir şekilde electron elektrik dipol momenti (eEDM) olarak bilinir ve çeşitli teorilerde önemli bir parametredir.

Akılda tutulması gereken temel resim şudur:

^{Resim kaynağı}

Şimdi, kuantum mekaniğinin neden olduğu karmaşık nedenlerden dolayı, bu dipol momentinin (kütle merkezi ile yük merkezi arasındaki vektör) spin ile hizalanması gerekir, ancak dipol momentinin referans olarak kullandığı nokta o kadar da önemsiz değildir. (Bu ikinci cevabın ne kadar teknik olduğu için özür dileriz - daha erişilebilir yanıtları çekmek için bir ödül topladım ama hiçbiri gelmedi.) Yine de, zorluklar bir yana, bu tamamen standart bir kavram.

Bununla birlikte, sıfır elektron elektrik dipol momentinin varlığının bazı önemli sonuçları vardır, çünkü bu eEDM hem parite hem de zaman tersine çevirme simetrilerinin ihlaline işaret eder. Bunun nedeni, $ \ mathbf d_e $ dipol momentinin $ \ mathbf S $ dönüşüne paralel olması gerektiğidir, ancak ikisi iki simetri altında farklı davranmaktadır (yani $ \ mathbf d_e $ bir vektör iken $ \ mathbf S $ a pseudovector; $ \ mathbf d_e $ zamandır - hatta $ \ mathbf S $ tek sayı olsa bile) bu, $ \ mathbf d_e \ cdot \ mathbf S $ projeksiyonlarının hem $ P $ hem de $ T $ simetrileri altında değiştiği anlamına gelir ve bu sadece teori baştan beri bu simetri ihlallerini içeriyorsa mümkündür.

Şans eseri, parçacık fiziğinin Standart Modeli, zayıf etkileşimden gelen bu simetrilerin her ikisinin de ihlallerini içerir ve bu, SM'nin yaptığı , için sıfır olmayan bir değer öngördüğü anlamına gelir. eEDM, yaklaşık $ d_e \ sim 10 ^ {- 40} e \ cdot \ mathrm m $ değerine denk gelir. Karşılaştırma için, proton yaklaşık 10 ^ {- 15} \: \ mathrm m $ boyutlarındadır, bu ayrımdan tam 25 büyüklük sırasıdır; bu, SM'nin eEDM için öngörüsünün ne kadar küçük olduğuna dair bir ipucu olmalıdır ( yani kesinlikle çok küçük). Bu küçük boyut nedeniyle, bu SM tahmini henüz ölçülemedi.

Öte yandan, Standart Modeli çeşitli yönlere genişleten, özellikle de evrenin çok daha fazla asimetriye sahip olduğunu gözlemlediğimiz baryogenez gibi şeylerle uğraşan birden fazla teori var (örneğin, çok daha fazlasına sahip olmak Antimaddeden daha önemli), Standart Modelin öngördüğünden daha fazla. Ve şeylerin sonuçları olduğu için, bu teoriler süper simetrinin çeşitli varyantları $ - $ ve rakipleri $ - $ genellikle eEDM için SM'nin yaptığından çok daha büyük değerler öngörüyor: $ d_e \ sim 10 ^ {- 30} e \ cdot \ mathrm m $, bunlar ölçebileceğimiz aralığa denk gelir.

Onları gerçekte nasıl ölçüyorsunuz? Temel olarak, yüksek enerjili parçacık çarpıştırıcılarını (bu dipol momentlerini tespit etmek için şu anda elde edebileceklerinden çok daha yüksek çarpışma enerjilerine ihtiyaç duyarlar) unutarak ve bunun yerine atomların ve moleküllerin hassas spektroskopisine ve dış elektrik alanlarına nasıl tepki verdiklerine dönerek . Burada ana fizik, bir dış elektrik alanı $ \ mathbf E $ varlığında elektrik çift kutuplu $ \ mathbf d $ bir enerji elde etmesidir. $$ U = - \ mathbf d \ cdot \ mathbf E, $$ ve bu, atomlar ve moleküllerdeki elektronların çeşitli kuantum hallerinin enerjilerinde (küçük) bir kayma üretir ve bu daha sonra spektroskopi kullanılarak tespit edilebilir. (Temel bir giriş için bu videoya bakın; daha teknik materyal için bkz. bu konuşmaya veya bu konuşmaya bakın.)

Sonuç olarak, bununla ilgili olarak,