¿Cuál es la forma de un electrón? Si recuerda imágenes de sus libros de ciencias de la escuela secundaria, la respuesta parece bastante clara:un electrón es una pequeña bola de carga negativa que es más pequeña que un átomo. Esta, sin embargo, está bastante lejos de la verdad.

El electrón se conoce comúnmente como uno de los componentes principales de los átomos que componen el mundo que nos rodea. Son los electrones que rodean el núcleo de cada átomo los que determinan cómo proceden las reacciones químicas. Sus usos en la industria son abundantes:desde electrónica y soldadura hasta imágenes y aceleradores de partículas avanzados. Recientemente, sin embargo, un experimento de física llamado EDM de electrones de moléculas frías avanzadas (ACME) colocó a un electrón en el centro del escenario de la investigación científica. La pregunta que la colaboración de ACME intentó abordar era engañosamente simple:¿Cuál es la forma de un electrón?

¿Formas clásicas y cuánticas?

Por lo que los físicos saben actualmente, los electrones no tienen estructura interna y, por lo tanto, no tienen forma en el significado clásico de esta palabra. En el lenguaje moderno de la física de partículas, que aborda el comportamiento de objetos más pequeños que un núcleo atómico, los bloques fundamentales de materia son sustancias continuas parecidas a fluidos conocidas como "campos cuánticos" que impregnan todo el espacio que nos rodea. En este idioma un electrón se percibe como un cuanto, o una partícula, del "campo de electrones". Sabiendo esto ¿Tiene sentido hablar de la forma de un electrón si no podemos verlo directamente en un microscopio, o cualquier otro dispositivo óptico para el caso?

Para responder a esta pregunta debemos adaptar nuestra definición de forma para que pueda usarse a distancias increíblemente pequeñas, o en otras palabras, en el ámbito de la física cuántica. Ver diferentes formas en nuestro mundo macroscópico significa realmente detectar, con nuestros ojos, los rayos de luz rebotando en diferentes objetos a nuestro alrededor.

Simplemente pon, definimos formas al ver cómo reaccionan los objetos cuando les iluminamos con luz. Si bien esta puede ser una forma extraña de pensar en las formas, se vuelve muy útil en el mundo subatómico de las partículas cuánticas. Nos da una forma de definir las propiedades de un electrón de modo que imiten cómo describimos las formas en el mundo clásico.

¿Qué reemplaza el concepto de forma en el micromundo? Dado que la luz no es más que una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, Sería útil definir las propiedades cuánticas de un electrón que llevan información sobre cómo responde a los campos eléctricos y magnéticos aplicados. Vamos a hacer eso.

Electrones en campos eléctricos y magnéticos.

Como ejemplo, considere la propiedad más simple de un electrón:su carga eléctrica. Describe la fuerza y, en última instancia, la aceleración que experimentaría el electrón, si se colocara en algún campo eléctrico externo. Una reacción similar se esperaría de una canica cargada negativamente, de ahí la analogía de la "bola cargada" de un electrón que se encuentra en los libros de física elemental. Esta propiedad de un electrón, su carga, sobrevive en el mundo cuántico.

Igualmente, otra propiedad "sobreviviente" de un electrón se llama momento dipolar magnético. Nos dice cómo reaccionaría un electrón a un campo magnético. En este sentido, un electrón se comporta como un pequeño imán de barra, tratando de orientarse a lo largo de la dirección del campo magnético. Si bien es importante recordar no llevar esas analogías demasiado lejos, nos ayudan a ver por qué los físicos están interesados ​​en medir esas propiedades cuánticas con la mayor precisión posible.

¿Qué propiedad cuántica describe la forma del electrón? Existen, De hecho, Varios de ellos. El más simple, y el más útil para los físicos, es el llamado momento dipolar eléctrico, o EDM.

En física clásica, La electroerosión surge cuando hay una separación espacial de cargas. Una esfera cargada eléctricamente, que no tiene separación de cargas, tiene un EDM de cero. Pero imagina una mancuerna cuyos pesos tienen cargas opuestas, con un lado positivo y el otro negativo. En el mundo macroscópico, esta mancuerna tendría un momento dipolar eléctrico distinto de cero. Si la forma de un objeto refleja la distribución de su carga eléctrica, también implicaría que la forma del objeto tendría que ser diferente a la esférica. Por lo tanto, ingenuamente, el EDM cuantificaría la "pesa de gimnasia" de un objeto macroscópico.

Momento dipolo eléctrico en el mundo cuántico

La historia de EDM, sin embargo, es muy diferente en el mundo cuántico. Allí, el vacío alrededor de un electrón no está vacío y quieto. Más bien, está poblado por varias partículas subatómicas que entran en existencia virtual durante cortos períodos de tiempo.

Estas partículas virtuales forman una "nube" alrededor de un electrón. Si iluminamos el electrón, parte de la luz podría rebotar en las partículas virtuales de la nube en lugar del electrón mismo.

Esto cambiaría los valores numéricos de la carga del electrón y los momentos dipolares magnéticos y eléctricos. Realizar mediciones muy precisas de esas propiedades cuánticas nos diría cómo se comportan estas elusivas partículas virtuales cuando interactúan con el electrón y si alteran la EDM del electrón.

Lo más intrigante, entre esas partículas virtuales podría haber nuevas, especies desconocidas de partículas que aún no hemos encontrado. Para ver su efecto sobre el momento dipolar eléctrico del electrón, necesitamos comparar el resultado de la medición con las predicciones teóricas del tamaño del EDM calculado en la teoría del Universo actualmente aceptada, el modelo estándar.

Hasta aquí, el modelo estándar describió con precisión todas las mediciones de laboratorio que se hayan realizado. Todavía, es incapaz de abordar muchas de las cuestiones más fundamentales, como por qué la materia domina sobre la antimateria en todo el universo. El modelo estándar también hace una predicción para la electroerosión del electrón:requiere que sea tan pequeño que ACME no habría tenido ninguna posibilidad de medirlo. Pero, ¿qué habría pasado si ACME detectara un valor distinto de cero para el momento dipolar eléctrico del electrón?

Parcheo de agujeros en el modelo estándar

Se han propuesto modelos teóricos que corrigen las deficiencias del Modelo Estándar, prediciendo la existencia de nuevas partículas pesadas. Estos modelos pueden llenar los vacíos en nuestra comprensión del universo. Para verificar tales modelos, necesitamos probar la existencia de esas nuevas partículas pesadas. Esto podría hacerse a través de grandes experimentos, como los del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) internacional al producir directamente nuevas partículas en colisiones de alta energía.

Alternativamente, pudimos ver cómo esas nuevas partículas alteran la distribución de carga en la "nube" y su efecto sobre la electroerosión de electrones. Por lo tanto, La observación inequívoca del momento dipolar del electrón en el experimento ACME probaría que, de hecho, hay nuevas partículas presentes. Ese fue el objetivo del experimento ACME.

Ésta es la razón por la que me llamó la atención un artículo reciente en Nature sobre el electrón. Los teóricos como yo utilizamos los resultados de las mediciones de EDM de electrones, junto con otras mediciones de propiedades de otras partículas elementales, para ayudar a identificar las nuevas partículas y hacer predicciones de cómo se pueden estudiar mejor. Esto se hace para aclarar el papel de tales partículas en nuestra comprensión actual del universo.

¿Qué se debe hacer para medir el momento dipolar eléctrico? Necesitamos encontrar una fuente de campo eléctrico muy fuerte para probar la reacción de un electrón. Una posible fuente de tales campos se puede encontrar dentro de moléculas como el monóxido de torio. Esta es la molécula que ACME utilizó en su experimento. Brillando láseres cuidadosamente afinados en estas moléculas, se podría obtener una lectura del momento dipolar eléctrico de un electrón, siempre que no sea demasiado pequeño.

Sin embargo, como se vio despues, está. Los físicos de la colaboración ACME no observaron el momento dipolar eléctrico de un electrón, lo que sugiere que su valor es demasiado pequeño para que lo detecte su aparato experimental. Este hecho tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión de lo que podríamos esperar de los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones en el futuro.

Curiosamente, el hecho de que la colaboración de ACME no haya observado un electroerosión en realidad descarta la existencia de nuevas partículas pesadas que podrían haber sido más fáciles de detectar en el LHC. Este es un resultado notable para un experimento del tamaño de una mesa que afecta tanto cómo planearíamos las búsquedas directas de nuevas partículas en el gigante Gran Colisionador de Hadrones, y cómo construimos teorías que describen la naturaleza. Es bastante sorprendente que estudiar algo tan pequeño como un electrón pueda decirnos mucho sobre el universo.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.