电子是完美的圆球吗？一个验证标准模型和挑战新物理的窗口

电子是我们已知的最基本的粒子之一，它没有内部结构，只有质量、电荷、自旋等性质。电子的形状是如何的呢？我们可以用一个物理量来描述，那就是电偶极矩(EDM)。

电偶极矩是一个矢量，它表示了一个带电物体内部电荷分布的不对称程度。如果一个物体是完全对称的球形，那么它的电偶极矩就是零；如果一个物体是像鸡蛋一样的椭球形，那么它的电偶极矩就不为零，而且指向鸡蛋的长轴方向。

那么，电子的电偶极矩是多少呢？根据我们目前最成功的物理理论——标准模型，电子的电偶极矩非常非常小，大约是10^-38 cm，这比原子核还要小得多。这意味着电子几乎是完美的圆形，没有任何形变。
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但是，标准模型并不是完美的，它不能解释一些重要的现象，比如暗物质、暗能量、重力等。因此，物理学家们一直在寻找标准模型之外的新物理，也就是一些能够修正或者取代标准模型的新理论。解决这些难题的一种可能方法是引入超越标准模型的新粒子,其中一些假想的粒子可能会与电子相互作用，扭曲电子的电荷分布，使其略微不对称。

这将为电子创造一个微小的电偶极矩，有些新物理理论甚至预言了电子的电偶极矩会比标准模型预测的要大得多，甚至达到 10^-27 cm 的量级。这就给了我们一个探测新物理的窗口：如果我们能够测量出电子的电偶极矩，那么就证明了标准模型不完备，存在着新粒子或者新相互作用。

那么，我们如何测量电子的电偶极矩呢？哈佛大学主导的ACME项目利用一种特殊的分子——氧化钍，来测量电子的电偶极矩。氧化钍分子具有很强的极性，它的内部电场可以达到84吉伏/厘米，是实验室可制备电场的数百万倍。氧化钍分子还有一个特殊的能级结构，叫做奇偶能级对（parity doublet），它可以用来消除外部磁场的干扰。他们用缓冲气体冷却的方法，制备出了低温慢速高流量的氧化钍分子束，然后用激光激发和探测分子中电子的进动角，从而间接地测量出电子的电偶极矩。

这个实验非常精密，他们得到了一个令人惊讶的结果：电子的电偶极矩小于 1.1×10^-29 cm，这意味着电子是非常接近圆形的。如果把电子放大到太阳系的尺寸，其各向半径之间的差别也不超过一根发丝。

这个结果对物理学有什么意义呢？首先，它给标准模型提供了一个强有力的支持，因为标准模型预言了电子的电偶极矩非常小，与实验结果相符。其次，它给超对称理论等一些试图超越标准模型的理论带来了巨大的挑战，因为这些理论通常预言了电子的电偶极矩会比标准模型预测的要大得多，甚至达到 10^-27 cm 的量级。这些理论要么需要被修正或者放弃，要么需要找到其他的实验证据来支持。

然而，这并不意味着新的物理学是不可能的或没有希望的。仍有许多模型预测的电偶极矩值更小，与这一结果兼容。