¿Pueden diferir el centro de carga y el centro de masa de un electrón en la mecánica cuántica?

¿Pueden diferir el centro de carga y el centro de masa de un electrón en la mecánica cuántica?

Ellos pueden. La física de partículas permite que los electrones (y otras partículas puntuales) tengan sus centros de masa y carga en diferentes lugares, lo que les daría un momento dipolar eléctrico intrínseco. Para el electrón, esto se conoce como el momento dipolar eléctrico del electrón (eEDM) , y es un parámetro importante en varias teorías.

La imagen básica a tener en cuenta es algo como esto:

^{Fuente de imagen}

Ahora, debido a razones complicadas causadas por la mecánica cuántica, este momento dipolar (el vector entre el centro de masa y el centro de carga) debe alinearse con el espín, aunque la cuestión de qué punto usa el momento dipolar como referencia es No es tan trivial . (Disculpas por lo técnica que es la segunda respuesta: recaudé una recompensa para atraer respuestas más accesibles, pero no llegó ninguna). Aún así, aparte de las complicaciones, es un concepto perfectamente estándar.

Dicho esto, la presencia de un momento dipolar eléctrico de electrones distinto de cero tiene algunas consecuencias importantes, porque este eEDM marca una violación de las simetrías tanto de paridad como de inversión de tiempo . Esto se debe a que el momento dipolar$\mathbf d_e$debe ser paralelo al giro$\mathbf S$, pero los dos se comportan de manera diferente bajo las dos simetrías (es decir,$\mathbf d_e$es un vector mientras$\mathbf S$es un pseudovector;$\mathbf d_e$es el tiempo, incluso mientras$\mathbf S$es impar) lo que significa que su proyección$\mathbf d_e\cdot\mathbf S$cambia el signo debajo de ambos$P$y$T$simetrías, y eso sólo es posible si la teoría contiene esas violaciones de simetría desde el principio.

Por suerte, el modelo estándar de la física de partículas contiene violaciones de ambas simetrías, que provienen de la interacción débil, y esto significa que el SM predice un valor distinto de cero para el eEDM, que cae en aproximadamente$d_e \sim 10^{-40} e\cdot\mathrm m$. A modo de comparación, el tamaño de los protones es de aproximadamente$10^{-15}\:\mathrm m$, un total de 25 órdenes de magnitud mayor que esa separación, lo que debería ser una pista de cuán pequeña es la predicción de SM para el eEDM (es decir, es absolutamente pequeña). Debido a este pequeño tamaño, esta predicción de SM aún no se ha medido.

Por otro lado, hay múltiples teorías que extienden el Modelo Estándar en varias direcciones, particularmente para tratar cosas como la bariogénesis donde observamos que el universo tiene mucha más asimetría (digamos, tiene mucha más materia que antimateria) que lo que predice el Modelo Estándar. . Y como las cosas tienen consecuencias, esas teorías$-$las diversas variantes de la supersimetría y sus competidores$-$generalmente predicen valores mucho más grandes para el eEDM que lo que hace el SM: más del orden de$d_e \sim 10^{-30} e\cdot\mathrm m$, que se encuentran dentro del rango que podemos medir.

¿Cómo los mides realmente? Básicamente, olvidándose de los colisionadores de partículas de alta energía (que necesitarían energías de colisión mucho más altas de las que pueden lograr actualmente para detectar esos momentos dipolares) y volviendo a la espectroscopia de precisión de átomos y moléculas, y cómo responden a campos eléctricos externos. . La física principal en juego aquí es que un dipolo eléctrico$\mathbf d$en presencia de un campo eléctrico externo$\mathbf E$adquiere una energía

Sin embargo, el resultado final, en lo que respecta a esto,

¿Existe alguna evidencia experimental que respalde o sospeche que el centro de masa y la carga de un electrón deben coincidir?

es que los resultados experimentales actuales proporcionan límites para el eEDM, que se ha demostrado que no es mayor que$|d_e|<8.7\times 10^{−31}\: e \cdot\mathrm{m}$(es decir, los resultados experimentales actuales son consistentes con$d_e=0$), pero la búsqueda experimental continúa. Sabemos que debe haber alguna separación espacial entre los centros de masa y carga del electrón, y actualmente se están realizando varias campañas experimentales enormes para tratar de medirla, pero (como suele ser el caso) los únicos resultados hasta ahora son restricciones en el valores que no tiene.

Vería que en la cámara de burbujas/nubes, si el centro de masa y la carga fueran diferentes, entonces tendría un efecto de torsión que cambiaría completamente las trayectorias de los electrones (cuando están bajo un campo eléctrico/magnético).