Všichni chtějí odhalit tajemství elektronu. Ale on se nedá

Nejznámější základní částice hmoty, elektron, má jedno velké tajemství. Jeho odhalení může rázem škrtnout desítky fyzikálních teorií. Proto se po něm pídí fyzikové z celého světa, včetně České republiky.

Proud elektronů ohnutý v magnetickém poli do kruhu. Světlo vydávají atomy plynu, které nabudí do nich narážející elektrony | foto: Wikimedia

Elektron má rád paradoxy: nemá velikost ani tvar, ale přitom můžeme určit, že je orientovaný určitým směrem. Říkají to fyzikální teorie i praxe. Například v magnetickém poli se otáčí jako malý magnet s kladným i záporným pólem. To můžeme dnes už snadno změřit.

Elektron ale není jen jako magnet, chová se i jako malá elektrická baterie, tvrdí teorie. Stejně jako u baterie je i miniaturní náboj elektronu nerovnoměrně rozložený. Na rozdíl od pomyslných magnetických pólů se nepravidelnosti elektrického náboje této částice měřením zachytit nikdy nepodařilo.

Už půl století uniká fyzikům mezi prsty. Přesto se vědci nepřestávají snažit. Malé elektrické tajemství elektronu má totiž nečekaně velký fyzikální dopad.

Kdy začne tančit?

Může rozhodovat například o tom, která z mnoha fyzikálních teorií o vzniku vesmíru je zatím nejblíže pravdě. Většina dnes mezi fyziky kolujících hypotéz se totiž v důležitých detailech liší. Třeba v množství a typu existujících částic či počtu dimenzí. A také v předpokladech o velikosti nepravidelností obrazné "elektronové baterie", tedy veličiny správně nazývané elektrický dipólový moment elektronu. 

Fyzici se shodnou jenom na tom, že hodnota této veličiny musí být nižší než je citlivost našich současných měření. Musí tedy být menší než zhruba 10^-27 náboje jednoho elektronu krát centimetr. Sama jednotka (kterou můžete hned zapomenout), je tak malá, že má v podstatě smysl jenom ve světě základních částic. A pak před jedničkou za desetinou čárkou musíme přidat ještě 26 nul. A možná také 27 nebo 40. Záleží jen na tom, které fyzikální teorii o podobě vesmíru "fandíte." 

Rozdíly mají zajímavé dopady. Když měření elektronu stokrát zpřesníme (tedy o dva řády), ale výsledku se nedobereme, některé fyzikální teorie o vzniku a povaze vesmíru nevyhnutelně skončí v propadlišti dějin. Bude totiž zřejmé, že výpočty do nich zahrnuté jednoduše "nesedí". Že nejde jen o jednu nebo dvě myšlenky, ukazuje následující obrázek:

Přehled některých fyzikálních teorií a jimi předpokládaných hodnot dipólového momentu elektronu. Ty ve šrafované oblasti jsou špatné, měření je vyvrátila. Čeští vědci s kolegy chtějí přesnost měření posunout k červené linii.

Z hlediska fyziky je takové prořezávání teorie nutné: měření jsou od toho, aby teorie vyvracela. Navíc ve fyzice je až mnoho prostoru pro fantazii, domnívají se někteří: "Dobrý teoretický fyzik vytvoří model [vesmíru] za hodinu, ale jeho vyvrácení trvá 20 let," řekl trochu provokativně pro server ScienceNews (experimentální, ne teoretický) fyzik Eugene Commins.

Pokusné problémy

Autoři prvního měření elektrického dipólového momentu elektronu by proto nepochybně aspirovali na Nobelovu cenu. Nejen kvůli významu měření pro fyziku, ale i pro jeho obtížnost.

Problémy způsobuje především sám elektron. Elektrický dipólový moment elektronu se dá nejlépe měřit ve velmi silném elektrickém poli: čím to bude silnější, tím spíše se v něm i tak malá veličina může projevit. Jenomže elektron jako nabitá částice v elektrickém poli nevydrží v klidu. Okamžitě začne zrychlovat a brzy obvykle skončí ve stěně přístroje, který elektrické pole vytváří. (Takhle vytváříme například rentgenové paprsky.)

Fyzikové proto hledají nejrůznější způsoby, jak problém obejít. Zkouší vše možné: "Mluvil jsem s kolegy z USA, kteří současně připravují tři různé způsoby měření," říká Stanislav Kamba z Fyzikálního ústavu Akademie věd.

Rozložení náboje u molekuly vody (červeně - , modře +). Hodnota elektrického dipólového momentu tyto nerovnoměrnosti popisuje jako vektor: tedy úsečku, jejíž velikost a orientace jsou "součtem" jednotlivých nerovnoměrností.

Nezůstalo jenom u mluvení. Tým z pražského Fyzikálního ústavu se nedávno také pustil do honičky za změřením elektronu.

Ostře nabitý materiál

"Jsme oddělení materiálů, ne teoretické fyziky, ale zahraniční kolegové nás požádali o pomoc právě jako odborníky v této oblasti," říká Stanislav Kamba. Českými fyziky zkoumané látky by mohly neposedné elektrony "ukotvit" na tak dlouho, aby se částice daly změřit. V těchto látkách je elektron uvězněn v atomové mřížce. Má dost prostoru, aby mohl reagovat na vliv elektrického pole, přitom jej ovšem atomové síly udrží na místě.

Povaha experimentu ovšem vyžaduje materiály dosti zvláštní povahy. "Pracujeme s látkami, které jsou magnetické a zároveň v nich vzniká za určitých podmínek, především vhodné teploty, velmi silné elektrické pole, až v řádu desítek megavoltů na centimetr," říká Stanislav Kamba. (Podrobnosti o tomto materiálu můžete najít v našem starším článku nebo na webu Fyzikálního ústavu). Když se podaří vědcům vnitřní elektrické pole takového materiálu "přehodit" (přepolarizovat), dojde nevyhnutelně i ke změně magnetické orientace elektronu (tzv. spinu). A tuto vlastnost lze využít ke změření elektrického dipólového momentu, pokud při pokusu pečlivě vyloučíte ostatní možné vlivy.

Čeští vědci a jejich kolegové už za sebou mají první kola pokusů. Výsledky vydali ve známém odborném časopise Nature Materials (pro zájemce je dostupná zde). Podle nich se zdá, že by jejich postup časem mohl přesnost současných měření zlepšit nejméně desetkrát.

Malá velká fyzika

Měření elektronu má zamířeno na stejně velké fyzikální cíle jako práce na velkých urychlovačích. Jen přístup je jiný: místo aby fyzikové měřili extrémní jevy při extrémních energiích, pracují v malém přímo na laboratorních stole.
Je to patrné hned při srovnání seznamu autorů prací z obou oborů. Například pod článkem v časopise Nature popisujícím metodu měření velkých molekul v elektrickém poli je podepsáno jenom šest autorů. Čeští fyzici vedení Stanislavem Kambou spolupracují zhruba s desítkou dalších fyziků a na publikacích tak nebývá více než patnáct jmen.
Pod publikacemi z velkých urychlovačů naopak bývá uvedeno někdy sto, někdy pět set jmen. "Není vůbec nic divného, když někteří z vědců podepsaných pod takovou velkou prací ani neví, že jim někde vyšla nová studie," říká Stanislav Kamba. Každý se podílí na konečném výsledku poměrně malou měrou a často nepřímo: mohl před pěti lety pomáhat při návrhu důležité části urychlovače nebo řešit počítačovou podporu experimentu.

"Zatím ovšem máme technické problémy, například se nám vzorek zahřívá," říká Stanislav Kamba a dodává: "Sice jenom o tisíciny stupně, ale i to hraje v takhle náročném měření svou roli." Hledaná hodnota je tak malá, že i drobné výkyvy teploty měření zcela znehodnotí. "Začali jsme nyní zkoušet nové vzorky a uvidíme, jak si povedou" nevzdává se český fyzik. 

Silná konkurence

Není ale času na otálení. Elektron chce změřit každý. Jedna z vůdčích skupin na tomto poli například nedávno v časopise Nature popsala jiný velmi slibný přístup (výtah z práce je dostupný zde, plná verze práce je placená). 

Už na pohled jde o zcela odlišný postup. Konkurenční tým velmi zhruba řečeno měří pohyb velkých plynných molekul v elektrickém poli. I při něm se slabě projevuje vliv elektrického dipólového momentu elektronů. A pokud se fyzikům podaří správně a důsledně odečíst jiné vlivy, měla by tato metoda být přesnější než všechny dnes používané. Na první pohled má potenciál dosáhnout také zlepšit současné postupy o řád, možná dokonce o dva (tedy desetkrát až stokrát). Tady možná ještě lépe, než kolik uvažuje skupina s českou účastí.

Zatím je ale brzy se vzdávat. Ten, kdo se první poníží dostatečně hluboko, aby změřil titěrné vlastnosti elektronu, bude (ve fyzikálním světě) rychle povýšen. Navíc jeho výsledky budou muset potvrdit ještě další skupiny. A to nejlépe jinou metodou, aby byly výsledky skutečně nezpochybnitelné. Cen je tedy v osudí dost hned pro několik vítězů.