¿Pueden variar el centro de carga y centro de masa de un electrón en mecánicos del quántum?

Question

Tradicionalmente, para un electrón libre, suponemos la expectativa de su ubicación (lugar del centro de masa) y el centro de carga en el mismo lugar. Aunque este parecía ser razonable para una aproximación clásica (ver: ¿por Qué no hay un centro de carga? por Lagerbaer), no estaba seguro de si es apropiado para los modelos cuántica, y especialmente en algunos casos extremos, tales como los de alta energía y de los modelos de quarks.

Mis preguntas son:

1. Hay alguna evidencia experimental para apoyar o sospecha de que el centro de masa y carga del electrón debe coincidir?

2. ¿Hay alguna prueba matemática que dice que el centro de masa y carga del electrón debe coincidir? O se les permite estar separados? (Por el campo eléctrico ecuación a partir de la EM, no dan suficiente evidencia para separar $E$ $G$ campo. Pero yo no creo que sea el mismo caso en quantum o modelo estándar, es decir, aunque los electrones son leptones, considere la posibilidad de $uud$ $2/3,2/3,-1/3$ de los cargos.)

3. ¿Cuál es la implicación para la dinámica, si la expectativa de que los centros no coinciden?

Answer 1

Puede que el centro de carga y el centro de masa de un electrón difieren en la mecánica cuántica?

Ellos pueden. La física de partículas no permitir que los electrones y otras partículas) que tienen sus centros de masa y carga en diferentes lugares, lo cual les daría una característica intrínseca de momento dipolar eléctrico. Para el electrón, esto es, como era de esperar conocido como el electrón momento dipolar eléctrico (eEDM), y es un parámetro importante en las distintas teorías.

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

^{Fuente de la imagen}

Ahora, debido a la complicada razones causadas por la mecánica cuántica, en este momento dipolar (el vector entre el centro de masa y el centro de carga) debe estar alineada con el giro, aunque la cuestión de que el momento dipolar utiliza como referencia no es trivial. (Disculpas por cómo técnico que la segunda respuesta es - levanté una recompensa más accesible para atraer a las respuestas, pero no vino nadie.) Aún así, las complicaciones de lado, es perfectamente concepto estándar.

Dicho esto, la presencia de un cero de electrones momento dipolar eléctrico tiene algunas consecuencias importantes, porque este eEDM marcas de una violación de la paridad y el tiempo de reversión de simetrías. Esto es debido a que el momento dipolar $\mathbf d_e$ debe ser paralela a la tirada $\mathbf S$, pero los dos se comportan de forma diferente en los dos simetrías (es decir, $\mathbf d_e$ es un vector, mientras que $\mathbf S$ es un pseudovector; $\mathbf d_e$ es de tiempo, incluso mientras se $\mathbf S$ es impar), lo que significa que su proyección $\mathbf d_e\cdot\mathbf S$ cambios de signo en virtud de ambos $P$ $T$ simetrías, y esto sólo es posible si la teoría contiene los simetría violaciones desde el principio.

Por suerte, el Modelo Estándar de la física de partículas contiene violaciones tanto de esas simetrías, procedentes de la interacción débil, y esto significa que la SM no predecir un valor distinto de cero para el eEDM, que cae cerca de las $d_e \sim 10^{-40} e\cdot\mathrm m$. Para la comparación, el protón tamaños, cerca de las $10^{-15}\:\mathrm m$, un total de 25 órdenes de magnitud más grande que la separación, la cual debe ser una alusión a lo pequeño de la SM de la predicción para el eEDM es (es decir, es absolutamente minúsculo). Debido a su pequeño tamaño, este SM predicción aún no se ha medido.

Por otro lado, hay múltiples teorías que extender el Modelo Estándar en varias direcciones, en particular para tratar con cosas como la bariogénesis , donde observamos que el universo tiene mucho más asimetría (es decir, teniendo mucha más materia que antimateria) que lo que el Modelo Estándar predice. Y porque las cosas tienen consecuencias, las teorías de la $-$ las diversas variantes de la supersimetría, y sus competidores $-$ prever, en general, mucho más grandes valores de la eEDM de lo que el SM: más sobre el orden de las $d_e \sim 10^{-30} e\cdot\mathrm m$, que cae dentro de la gama en la que se puede medir.

¿Cómo se puede medir? Básicamente, por olvidarse de alta energía de los aceleradores de partículas (que necesitaría mucho más altas energías de colisión que en la actualidad se pueden lograr para detectar los momentos de dipolo) y dando lugar a la precisión de la espectroscopia de átomos y moléculas, y cómo responden a los campos eléctricos externos. El principal de la física en juego aquí es que un dipolo eléctrico $\mathbf d$ en presencia de un campo eléctrico externo $\mathbf E$ adquiere una energía $$ U = -\mathbf d\cdot \mathbf E, $$ y esto produce un (minúscula) cambio en las energías de los diferentes estados cuánticos de los electrones en los átomos y moléculas, que luego pueden ser detectados mediante espectroscopia. (Para una introducción básica, ver este video; para obtener más material técnico véase, por ejemplo, esta charla o este.)

La línea de fondo, aunque, en cuanto a esta,

Hay alguna evidencia experimental para apoyar o sospecha que el centro de masa y carga del electrón debe coincidir?

es que el actual resultados experimentales proporcionan los límites para la eEDM, que ha demostrado ser de no más de $|d_e|<8.7\times 10^{−31}\: e \cdot\mathrm{m}$ (es decir, los actuales resultados experimentales son consistentes con $d_e=0$), pero la experimental, la búsqueda continúa. Sabemos que debe haber alguna separación espacial entre los electrones de los centros de masa y carga, y hay varios enormes campañas experimentales que se están ejecutando actualmente para probar y medir, pero (como es a menudo el caso), el único hasta el momento los resultados son restricciones sobre los valores que no tienen.

Answer 2

Por la sencilla razón de que el actual modelo estándar de la física de partículas tiene el electrón como un punto de partículas, es decir, volumen =0 , y la carga,vuelta y la misa, todos residen en ese punto cero. Lo mismo es cierto para todas las partículas en la tabla. El modelo es validado continuamente por medio de experimentos, y es la corriente principal de uno en este momento.

1) ¿hay alguna evidencia experimental para apoyar o sospecha que el centro de masa y carga del electrón debe coincidir ?

Cuando uno define un punto de partículas matemáticamente, como en el modelo estándar, es un matemático de la restricción.

Por favor, tenga en cuenta que la declaración de "el centro de masa y el centro de carga debe ser la misma", puede surgir por la simetría matemática argumentos. Incluso si la carga de las distribuciones varían en objetos compuestos, dependiendo de la geometría, la simetría también para partículas que se matemáticamente dar una coincidencia.

Esto responde 2) también

¿Cuál es la implicación para la dinámica, si la expectativa de que los centros no coinciden

Puede ser conectado con la hipótesis de compositeness, es decir, que las partículas elementales no son elementales, pero que tienen una estructura interna. Se necesita un experimento que podría distorsionar la matemática de la simetría de la distribución de carga, posiblemente con un fuerte campo eléctrico, y un modelo en el que el punto de partículas y el compuesto hipotético interacciones de carga son estudiados.

Hay límites dados por los experimentos en el compositeness escala. Ver mi respuesta aquí a una pregunta relacionada.

Incluso si resulta que las partículas elementales en algunos de alta escala de visualización compositness, yo sería surpised si iban a mostrar la asimetría en la distribución de carga frente a la distribución de la masa.

Answer 3

verías que en la cámara de burbuja / nube, si el centro de masa y la carga fueran diferentes, entonces tendrías un efecto de par que cambiaría por completo las trayectorias de los electrones (cuando están bajo el campo eléctrico / magnético).