电子是构成世界的主要成分之一它有外形的？

电子是构成我们周围天下的原子的紧张身分之一。
正是环绕每个原子核的电子决定了化学反应是如何进行的。

最近，一个由美国多所大学互助进行的物理实验，名称为“高等冷分子电子电偶极矩”(简称为ACME)，其实验设备只有桌子大小，再次把小小的电子置于科学研究的最前沿，并试图通过检测电子的“形状”来探求新的粒子。

电子真的是有形状的?这跟新的粒子有什么关系?下面我们就来磋商一下。

经典的形状和量子的形状

电子是什么形状的?如果你回顾起高中教科书中的图片，答案彷佛很清楚：电子是一个比原子小的带负电荷的小球。
然而，这与事实相差甚远。

基本粒子，没有任何内部构造的，因此“形状”这个词语对付电子来说没故意义。
要想让“形状”对电子来说故意义，我们必须调度对“形状”的定义，以便它可以在量子天下里利用。

在我们的宏不雅观天下中，看到各种各样的形状，实际上意味着我们用眼睛探测到了来自周围物体反射回来的光芒，而光芒只不过是一种电磁波，换句话说，形状实在是物体在电磁场的浸染下的一种反应。
我们可以把“形状”这个观点扩大化，把能描述在任何电磁场下反应的属性，都算作“形状”。

只管这可能是一种很奇怪的描述“形状”的办法，但由于关于电子的许多属性，包括电荷、自旋等，都能描述它在电磁场的浸染下会发生何种反应。
大概，我们可以把个中的某个属性当作电子的“形状”。
那么，哪种属性最适宜当作电子的“形状”呢?物理学家选择的属性是电偶极矩。

电子的电偶极矩

在经典物理学中，电偶极矩是一种衡量一个别系中正电荷与负电荷分布情形的物理量。
如果正电荷分布与负电荷分布涌现分离，那么电偶极矩就不再为零。
例如，一个均匀带电的球体没有正负电荷分离，其电偶极矩为零。
但是想象一个哑铃，它的一边带正电，另一边带负电，那么这个哑铃有一个非零的电偶极矩。
除了电荷以外，电偶极矩的多少也决定了这个别系如何相应外加电场。

对付宏不雅观物体来说，正负电荷的分布常日与物体的形状存在一定的联系。
对付电子来说，它没有真正意义上的形状，但为了理解它的电偶极矩，物理学家常日设想它有某种形状。
比如，如果电子的电偶极矩为零，我们就把它看作均匀带电的球体;如果电偶极矩有一定的值，那么电子就如同一个哑铃，数值越大，“哑铃”的柄越长。
以是，物理学家就干脆把电偶极矩当作衡量电子“形状”的物理量。

电子周围的“云雾”

想要检测电子的电偶极矩也很大略，只需检测电子在外加电场的行为即可。
然而，检测微不雅观粒子的电偶极矩并不是那么大略的事情。
由于在量子天下中，真空不是真正的空无一物。
相反，它里面含有无数个须臾即逝的虚粒子。

这些虚粒子，一些可能会携带电荷，也有着自己的电偶极矩。
这样，在电子周围一定范围内的虚粒子就像一团“云”一样，会影响到电子电偶极矩的检测数值。

当前描述微不雅观粒子最好的物理理论，即标准模型，考虑了所有可能涌如今真空的虚粒子，对我们电子的电偶极矩做出了预测：电子的电偶极矩非常小，以至于当前的实验举动步伐没有机会丈量到它。
但是，如果ACME真的检测到电子的电偶极矩，这意味着什么呢?

这意味着电子电偶极矩的检测值被放大了。
那么是什么成分把电子电偶极矩的检测值放大了呢?科学家猜想，可能是电子周围的“云”中，有着某些标准模型没有预言出的未知粒子，正是这些未知粒子提高了电子电偶极矩的检测值。
而通过检测电子的电偶极矩来探求未知粒子，便是ACME实验的真正目标。

探求未知的粒子

在粒子物理学中，还存在许多待办理的问题，比如暗物质是由什么粒子构成的，全体宇宙为什么是粒子而不是反粒子占主导地位，等等。
这些问题，标准模型都无法回答。
对此，物理学家提出了很多个新的理论，这些新的理论还预言了许多新的粒子。
为了验证这些新理论，我们须要考验这些新预言的粒子是否真的存在。
这可以通过大型实验设备来实现，例如可以考试测验利用大型强子对撞机让质子以极高的速率发生碰撞，来产生这些新的粒子。

现在我们又多了一种方法：即我们可以去检测电子周围的“云”以及它们对电子电偶极矩的影响来找到新粒子。
在ACME实验中，对电子的电偶极矩进行精确的丈量，如果检测到电偶极矩，那么这将证明有新的未知粒子的存在，物理学家还可以推出这种未知粒子的一些属性。

如何丈量电子的电偶极矩?我们须要找到一个非常强的电场来测试一个电子的反应。
这种电场可以在诸如一氧化钍的分子内找到。
一氧化钍分子中两个原子之间形成的共价键很强，产生的电场是已知的最强分子内的电场。
一氧化钍便是ACME在实验中利用的分子，物理学家只需通过检测处于一氧化钍分子内的电子的反应，来推算电子的电偶极矩。

然而，实验结果却是，ACME的物理学家没有检测到电子的电偶极矩，这表明它的值太小，目前的实验仪器无法检测到。
只管如此，实验结果仍具有主要的意义。
没有检测到电子的电偶极矩，这直接打消了许多理论中预言的粒子，物理学家可以根据这个完善当前的理论或提出新的理论。
此外，这个结果还能辅导我们如何利用大型强子对撞机征采新的粒子。