电子是什么物质，电子是什么构成的
粒子物理学有一个非常成功的理论，称为标准模型，它准确地描述了粒子物理学实验中的每一次测量。然而，宇宙学观测中的许多问题仍未得到解答，例如暗物质的性质以及为什么宇宙中物质比反物质多得多。因此，物理学家开发了许多新理论，将粒子和相互作用纳入标准模型之外来解释这些现象。这些粒子出现在真空中并与普通粒子相互作用，改变它们的属性。
例如，如果宇宙中存在超大质量粒子，它们的相互作用将违反时间反转对称性（这解释了宇宙中的物质-反物质不对称性）并导致可能产生沿着电子自旋轴流动的电流。在一项新研究中，ACME（高级冷分子电子电偶极矩）合作项目公布了其关于电子永久电偶极矩研究的最新成果。没有任何观测结果超过实验精度的电偶极矩。换句话说，电子还是很“圆”的。这是一个重要的实验结果，因为它表明超越标准模型的理论预测的新粒子的质量比大型强子对撞机（LHC）直接检测到的粒子质量更大。
ACME实验中的电子（艺术描绘）。 | 图片来源：NICOLE R. FULLER，美国国家科学基金会
什么是电子？
物质是由什么构成的？如果我们逐层“解剖”它，我们会发现构成物质的粒子中含有电子。电子非常有趣，因为它们可以流过导电材料并产生电流。同时，它们可以以非常奇怪的量子方式表现，就像粒子和波一样。
但电子本身是什么样子的呢？在我们的想象中，电子通常被描绘成围绕原子核运行的微小粒子，就像围绕恒星运行的行星一样。然而，作为量子物体的电子不是粒子；它们并不在围绕原子核的固定轨道上运动，而是像模糊的量子云一样围绕原子核运动。在一些实验中，电子的行为类似于粒子，但它们并不像我们想象的那样是固体。
更重要的是，电子是基本粒子。原子核由中子和质子组成，中子和质子只是电子，由更小的粒子组成。此外，电子具有称为自旋的特性。自旋类似于旋转物体的角动量，只不过自旋是电子的固有属性。
正如物理学家在谈论电子自旋时经常强调的那样，电子并不是带电的小球体。事实上，据我们所知，“裸”电子是一个没有特征的点。 —— 如果电子被切断与宇宙其他部分的相互作用，它就会变得无限小且无趣。
幸运的是，我们可以测量电子的特性，因为它们与宇宙的其他部分相互作用。但因为宇宙是量子的，所以这些相互作用永远不会在“裸”电子中出现，而是在“裸”电子与宇宙其他部分相互作用的组合中出现。这些相互作用改变了电子的能量，并且它吸收或发射的光子可用于非常精确地确定电子的能量。这使我们能够观察电子能量在其他场中如何变化。
相互作用的电子
最重要的相互作用是电子电荷和外部电场（例如附近的另一个带电粒子）之间的相互作用。这会导致非常大的能量转移，导致电子靠近正电荷并远离负电荷。这种“电单极”相互作用与任何其他相互作用相比完全相形见绌。
下一个重要的事情是外部磁场与电子本征自旋之间的“磁偶极子”相互作用。尽管这会导致微小的偏移，但这种不对称的影响仍然可见。一个方向的磁场会使电子的能量增加少量，而相反方向的磁场会使电子的能量减少相同的量。
当你将电子捕获在一个地方时，它的大部分能量来自电单极子与其捕获的任何物体的相互作用。但如果我们使用光谱测量法在两个方向之间来回切换磁场，我们会发现：这两个州之间存在细微的差别。这种差异大约是原子或分子内典型电子态能量的百万分之一，但核物理学家测量这个水平的能量差异是很常见的。
ACME 项目正在寻找一种“电偶极子”相互作用，它混合了之前两种相互作用的特性。一方面，它是由外部电场引起的能量运动，如电单极相互作用，但另一方面，它取决于外部电场的方向，如磁偶极相互作用。一个方向的电场使能级向上移动，另一个方向的电场使能级向下移动。
与电单极相互作用的能量相比，电偶极相互作用的能量是完全微不足道的。但是，如果您使用电单极子相互作用将电子锁定到原子或分子中，使它们无法轻易地沿电场方向移动，您可能会看到改变电场方向时产生的能量。通过电偶极子相互作用。
电偶极相互作用的强度通过“电偶极矩”来测量，在经典电磁学中，“电偶极矩”是针对宏观电荷分布计算的。完全充电的球体的电偶极矩为零。这意味着无论向哪个方向施加电场，都会获得相同的总能量。
电荷的“不均匀”分布会产生非零电偶极矩。这就是为什么这个实验用术语“电子形状”来描述。也就是说，球体的一极和另一极上都会有一个小“凸起”。相应的“凹坑”产生电偶极矩。然后可以使用电荷和半径来计算产生一定大小的电偶极矩所需的“凹凸”。
电子与虚粒子之间的相互作用
如前所述，我们实际上从未看到“裸露”电子，只能看到它们与宇宙其他部分的相互作用。这些相互作用不仅包括实验过程中施加的电场，还包括不可避免的真空电磁场。
根据量子物理学，永远不存在绝对的虚空，其周围总是存在着零点能量的涨落，电子会与这些零点涨落的场相互作用。根据费曼描述的图片，相互作用以电子周围的“虚拟粒子”云的形式发生，导致电子与施加的场相互作用。
电子与电磁场相互作用的费曼图。 | 图片来源：查德·奥泽尔
这些虚拟粒子使精密光谱学成为发现奇异物理的有效方法。电子和虚粒子之间的相互作用引起电子能量的转移。根据量子物理学的本质“凡是没有被禁止的都是必然的”，这些虚拟粒子（原则上）也包括奶酪兔子。
在计算中包含与虚拟粒子相互作用的所有内容似乎很疯狂，但幸运的是，由特定类型的虚拟粒子引起的能量转移量是粒子质量的函数，并且随着涉及的虚拟粒子的数量而增加。颗粒数量增加或减少。
当理论物理学家试图预测实验中电子的能量时，他们不必计算所有大量粒子的影响，他们只包括质量足以引起实验的粒子。检测到的能量运动就足够了。或者，事情也可以反过来进行，当实验者测量电子能量的变化时，他们可以反向工作以确定导致电子能量变化的虚拟粒子的质量。
ACME 结果
ACME项目的最新结果是，在实践中尚未观察到此类能量运动。实验人员对冷一氧化钍（ThO）分子施加不同的电磁场，并研究当电子具有电偶极矩时，能量转移随施加电场的方向而变化。
这个实验的精度非常高，如果一个电子有地球那么大，实验者只要距离完美的球体只有一根头发丝的宽度，就能分辨出来。然而，他们没有观察到任何超出实验测量不确定性的能量变化。相反，我们对可能的电子电偶极矩的大小设置了严格的上限。它必须小于0.000000000000000000000000000011 e-cm（一个电子和一个正电子）。 1 cm 距离处的偶极矩为1 e-cm)。
对电子的电偶极矩设置严格的上限，将对具有产生电偶极矩的适当属性的假设粒子的质量施加严格的下限。假设偶极矩是由“单环”费曼图（该图中最简单的费曼图）产生的，这些虚拟粒子的最小质量约为30TeV，或者说大型强子的质量。对撞机：最大能量的两倍以上。
可以让“单环”费曼图的贡献为零（理论上不难实现，但不够复杂），而只考虑“双环”费曼图，这样就会得到一个。较低的值。这些假设粒子的质量极限降至约3 TeV，但仍然相当大。
显然，这是对可能的理论的相当严格的限制。我们现在知道电子的电偶极矩约为10-29e-cm，但理论物理学家仍然有一些回旋余地。但这是另一个强有力的证据，表明标准模型之外存在的物理学将是非常不同的。
编辑：克劳博伊
参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0599-8
https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2018/10/22/how-does-the-shape-of-an-electron-limit-article-physicals/#5d2b5505651c
https://www.forbes.com/sites/briankoberlein/2018/10/18/acme-experiment-finds-that-electrons-are-really-really-round/#73923a317747
https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=296867
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