Elektronen sind extrem rund, bestätigt eine neue Messung

Um zu testen, ob Elektronen wirklich rund sind, verwendeten Physiker elektrisch geladene Hafniumfluoridmoleküle in einer Vakuumkammer (siehe Abbildung).

Casey A. Cass/Universität Colorado

Von Emily Conover

6. Juli 2023 um 14:00 Uhr

Elektronen sind wirklich, wirklich rund.

Eine neue Messung bestätigt die Kugelform des subatomaren Teilchens mit rekordverdächtiger Genauigkeit, berichten Physiker in der Zeitschrift „Science“ vom 7. Juli.

Diese nahezu perfekte Rundheit vertieft das Geheimnis, wie es dazu kam, dass das Universum mit Materie im Gegensatz zu seinem Gegenstück, der Antimaterie, gefüllt war. Jede Asymmetrie in der Form des Elektrons, nämlich der Verteilung der elektrischen Ladung des Teilchens, würde auf eine damit verbundene Asymmetrie in den Naturgesetzen hinweisen, die diese Eigenschaft des Kosmos erklären könnte.

Die Messung – einer Eigenschaft, die in der Physik als elektrisches Dipolmoment des Elektrons bekannt ist – ist doppelt so präzise wie die bisher beste Messung der Form des Elektrons (SN: 17.10.18).

„Ich glaube nicht, dass Guinness dies verfolgt, aber wenn sie es täten, hätten wir einen neuen Weltrekord“, sagt die Physikerin Tanya Roussy von der University of Colorado Boulder. Die neue Messung ist so präzise, ​​dass, wenn ein Elektron die Größe der Erde hätte, jede Asymmetrie in seiner Form auf einer Skala kleiner als die eines Atoms liegen müsste.

Um die Form des Teilchens abzuschätzen, untersuchten Roussy und Kollegen, ob sich Elektronen in einem elektrischen Feld drehten. Wenn Elektronen nicht rund, sondern leicht eiförmig wären, würde ein elektrisches Feld ein Drehmoment auf sie ausüben, ähnlich wie die Schwerkraft ein auf der Spitze stehendes Ei umwirft.

Um dieses Drehmoment zu ermitteln, suchte das Team nach Veränderungen im Energieniveau elektrisch geladener Hafniumfluoridmoleküle. Jedes Drehmoment auf die Elektronen würde den Molekülen unterschiedliche Energieniveaus verleihen, je nachdem, in welche Richtung das „Ei“ relativ zu einem elektrischen Feld ausgerichtet war. Die Forscher fanden keinen Unterschied in den Energieniveaus der Moleküle und bestätigten damit die Rundheit des Elektrons.

Auf ihrer grundlegendsten Ebene sind Elektronen punktförmige Teilchen ohne bestimmte Größe und Form. Aber in der Quantenfeldtheorie kann man sich Elektronen als von vorübergehenden „virtuellen“ Teilchen umgeben vorstellen, die auftauchen und verschwinden und jedem Elektron einen kugelförmigen Halo aus elektrischer Ladung verleihen. Wenn sich herausstellte, dass dieser Halo nur leicht eiförmig war, könnte das darauf hindeuten, dass das Universum gegenüber der Materie einseitig geworden ist.

Beim Urknall hätten Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstehen sollen – beide sind Spiegelbilder voneinander und haben entgegengesetzte elektrische Ladungen. Aber Materie kommt in unserem Universum häufig vor, während Antimaterie knapp ist. Theoretische Physiker haben vorgeschlagen, dass die Existenz bestimmter subatomarer Teilchen den Ausschlag in Richtung Materie gegeben haben könnte (SN: 22.09.22). Wenn diese Teilchen existieren würden, würden sie auch vorübergehend um das Elektron herum auftauchen und verschwinden, so dass es länglich würde.

Solche Teilchen wären so massiv und würden daher so viel Energie zu ihrer Herstellung erfordern, dass sie selbst am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider in der Nähe von Genf, nicht nachweisbar wären. Das macht sensible Untersuchungen der Rundheit des Elektrons zu einem wichtigen Test für Teilchenphysiker. Und solche Experimente werden sich voraussichtlich noch weiter verbessern und nach Teilchen mit noch größeren Massen testen, sagt der Physiker David DeMille von der University of Chicago, einer der Wissenschaftler hinter der bisher besten Messung der Rundheit des Elektrons.

Das neue Ergebnis zeigt vorerst keine Spur von versteckten Teilchen, sodass das Rätsel, wie die Materie die Oberhand gewonnen hat, ungelöst bleibt. Und das, sagt DeMille, „lässt uns mit der Frage zurück, was da draußen ist.“

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TS Roussy et al. Eine verbesserte Grenze des elektrischen Dipolmoments des Elektrons. Wissenschaft. Bd. 381, 7. Juli 2023, S. 46. ​​doi: 10.1126/science.adg4084.

Die Physikautorin Emily Conover hat einen Ph.D. in Physik von der University of Chicago. Sie ist zweifache Gewinnerin des Newsbrief-Preises der DC Science Writers' Association.

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