電子は完全な球体に非常に近い

この小さな電子はこれまでで最も徹底的な物理的検査を受け、科学者らはそれがほぼ、ほぼ完璧な球体であると報告している。インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らは、この電子が完全な球体からわずか 0.0000000000000000000000000001 センチメートルしか離れていないと判定した。言い換えれば、この電子を太陽系の大きさに拡大すると、人間の髪の毛に相当する大きさだけ、完璧な球体から外れることになる。

目を細めて数えるのが面倒な人のために言っておくと、小数点の後に 26 個のゼロがあります。良いニュースは、これが量子電気力学の最良の理論が完全に間違っているわけではないことを示していることです。悪いニュースは、科学者がまだすべてのものが存在する理由を知らないことです。

この驚くべき精度は、フッ化イッテルビウム分子を使った10年以上にわたる実験の結果である。この研究は本日、ネイチャー誌に掲載された。インペリアル・カレッジ・ロンドンの冷物質センターの科学者らは、特殊なレーザーを使って分子の電子の動きを観察した。電子が完全に円形でなければ、その揺れによって分子の全体的な形状が歪んでしまう。

「電子が円形でなければ、電場に置かれると、ちょうどコマのように回転運動をするだろう」と、インペリアル・カレッジ・ロンドンの物理学者、研究者ジョニー・ハドソン氏は電子メールで述べた。「この回転運動の証拠は見られなかった」

科学者が電子が丸いかどうかを知りたいのは、それが量子電気力学の定説について教えてくれるからだ、とハドソン氏は説明した。

もし電子が丸い形ではなく楕円形だったとしたら、これは通常の日常的な電子とその反物質の分身である陽電子との間の重要な違いを示唆していただろう。これは、なぜ宇宙には反物質よりも物質が優勢であり、したがって何もないのではなく何かがあるかを説明するのに役立つかもしれない。

現代物理学によれば、宇宙はビッグバン直後、物質と反物質が同量で存在し、この2つの相反するものはすぐに消滅し始めました。すべてが相殺されるはずでしたが、星、惑星、そして人間が存在するため、何かが起こって反物質と物質の対称性が破れ、物質が宇宙に浸透するようになりました。

「物質と反物質の不均衡を説明するには、おそらく、まだ観測されていない粒子と反粒子の間に何らかの違いがある必要がある。非球形の電子は、そのような違いの明確な証拠となるだろう」とハドソン氏は語った。

しかし、粒子は丸いので、この物理的差異が原因ではないようだ。間もなく閉鎖されるテバトロンと大型ハドロン衝突型加速器での実験により、この点をさらに詳しく解明することが試みられるだろう。

それでも、私たちの存在の最小の構成要素の大きさや外観を把握することは役に立ちます。たとえば、昨年、ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク量子光学研究所のランドルフ・ポール率いる科学者たちは、陽子の大きさが誰もが考えていたよりも 4 パーセント小さいことを突き止めました。素粒子の定義が明確になれば、量子電気力学の最良の理論を洗練し、強化するのに役立ちます。

では、なぜ電子はわずかに歪んでいるのでしょうか? それは、電子と他の短命な物質の雲との相互作用に関係しています。

「量子場理論が教えてくれたことの一つは、私たちが空の空間と呼んでいるものは実際には空ではないということです。むしろ、物理学者が『仮想粒子』と呼ぶもので満たされているというイメージです。これらは、一瞬で現れたり消えたりする物質と反物質の粒子です」とハドソンは説明します。「電子のような『実在する』物質はどれも、これらの仮想粒子の雲を巻き込んでいます。」

ハドソン氏とその同僚は、実際に電子とその小さな雲の形状を測定した。電子と仮想粒子の相互作用により、この極めて小さな歪みが生じる。

最も小さなものでさえ完全な球体ではないのなら、何かが本当に完全な球体であるなどあり得るだろうか？ ハドソン氏は、その真偽を知ることはできないが、測定値を改良し続ければ、これ以上歪んでいないと言えるだけだと語った。完全な球体は、重力探査機 B などの科学実験では実際に重要である。探査機は、その完璧さでギネス世界記録に載っている石英シリコン球体でできた 4 つのジャイロスコープを使用しているが、それでもまだ不完全であるため、科学者は最近発表された歪んだ時空の測定値が正しいことを確認するために数年にわたる計算を行わなければならなかった。

現実の基本的な性質を理解する上での重要性とは別に、電子測定実験はより優れた原子時計の構築にも役立つ可能性があるとハドソン氏は述べた。

「私たちの研究は、その分野から大きく影響を受けており、逆に私たちの開発の多くは時計メーカーにとって有益です」と彼は語った。また、現在のコンピューターでは研究するには複雑すぎるシステムをシミュレートするのにも役立つ可能性がある。

ハドソン氏、共著者のエドワード・ハインズ氏、そしてコールドマターセンターの他の研究者たちは、100億分の1センチメートルまでの精度に満足せず、測定をさらに向上させる新しい方法を開発している。彼らは分子を極低温に冷却し、その正確な動きを制御する新しい方法に取り組んでいるが、これは大きな偉業となるだろう。このような技術は、例えば化学反応の制御に使用できる可能性がある。

「私たちが開発したこれらの技術は非常に汎用性が高く、多くの分野で応用されています」とハドソン氏は語った。