Los electrones no tienen ninguna forma bien definida. No se puede decir dónde está la superficie de un electrón. Como todas las otras partículas, el electrón es un objeto fundamentalmente mecánico-cuántico. Se describe mediante una función de onda y tiene una distribución de probabilidad. Nunca es exactamente en un solo lugar.
Entonces, cuando hablamos de que los electrones son “redondos”, debemos decir algo más. En lugar de pensar en “redondo” como una forma, consideremos cómo se define esa forma. Si levanta un objeto perfectamente redondo y lo gira, luego lo vuelve a colocar, otra persona no podría darse cuenta de que ha sido girado. En otras palabras, el objeto es invariante bajo rotaciones. Entonces, ¿los electrones son redondos en este sentido?
La respuesta es no; un electrón lleva un momento angular intrínseco (también conocido como espín ). Como consecuencia de esto, el electrón también lleva un momento magnético intrínseco (que apunta en la otra dirección porque los electrones están cargados negativamente). Entonces puedo poner un electrón en un campo magnético uniforme, que alineará su momento magnético y, en consecuencia, su giro con el campo magnético. Entonces te doy el electrón. Lo giras y me lo devuelves. Lo vuelvo a colocar en el campo magnético y me doy cuenta de que ya no está alineado. Entonces puedo decirte que lo rotaste.
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Y sin embargo, todavía pensamos en los electrones como redondos, ¿por qué? Bueno, porque todavía queremos pensar que los electrones son estas pequeñas bolas de carga giratorias (aunque esta no es realmente una forma precisa o útil de pensar acerca de los electrones reales). Podría estar girando a lo largo de un eje, sí, pero eso no lo hace menos redondo, ¿verdad? Una bola de billar giratoria es tan redonda como una estacionaria, ¿verdad?
Bien, eso sugiere que la prueba real de si un electrón es redondo es si su densidad de carga es isotrópica (igualmente distribuida en todas las direcciones). La prueba de esto es, en teoría, poner el electrón en un campo eléctrico . Por supuesto, el electrón se moverá bajo la influencia del campo eléctrico, pero ese no es el punto. Si la densidad de carga del electrón es anisotrópica, puedo ponerla en un campo eléctrico durante un período de tiempo arbitrariamente corto (para que no se mueva demasiado), medir su energía y luego dársela; puedes rotarlo, devolvérmelo, y puedo volver a ponerlo en el campo y medir su energía nuevamente, y obtener un resultado diferente.
Cuantificamos esta anisotropía utilizando el momento dipolar eléctrico, que se define de manera obvia: la energía potencial de un electrón viene dada por [math] -qV (\ mathbf {r}) – \ mathbf {p} \ cdot \ mathbf { E} (\ mathbf {r}) [/ math], donde [math] \ mathbf {r} [/ math] es la posición del electrón. Si el momento dipolar eléctrico es cero, la energía depende solo de la posición y no cambia cuando se gira el electrón.
¿Podría el electrón ser asimétrico de una manera que no podría ser cuantificada por el momento dipolar eléctrico? Como resultado, la respuesta es no. Todos los momentos multipolares eléctricos de orden superior del electrón deben desaparecer y, además, el momento dipolar eléctrico, si lo hay, debe ser paralelo al espín. Si este no fuera el caso, los electrones llevarían variables adicionales con ellos indicando en qué dirección eran asimétricos, y esto no sería consistente con la evidencia observacional (creo). Por lo tanto, un electrón es monopolar puro (redondo) o monopolar más dipolo (no redondo).
Entonces … ¿ es el momento dipolar eléctrico del electrón cero? La respuesta es sí y no. Si; Todos los experimentos hasta ahora para medir el momento dipolar de electrones electrónicos han encontrado resultados consistentes con cero. No; el Modelo estándar predice que un electrón tiene un pequeño momento dipolar eléctrico distinto de cero, del orden de [math] 10 ^ {- 30} [/ math] debye (muy por debajo de los límites experimentales).
Ahora a la pregunta principal. ¿Por qué los electrones (casi) redondos? ¿Por qué el momento dipolar eléctrico de electrones es tan pequeño? La razón de esto es que un momento dipolar de electrones distinto de cero requiere violación de CP. Más bien, requiere violación T (lo que implica violación CP por el teorema CPT). Esto se debe a que bajo la inversión de tiempo, un electrón que gira con su momento dipolo eléctrico hacia arriba se convierte en un electrón que gira hacia abajo con su momento dipolo eléctrico aún hacia arriba (la inversión de tiempo no puede afectar la distribución de carga, por supuesto). Este electrón invertido en el tiempo sería entonces notablemente diferente del electrón original. Ahora, la violación de CP es un efecto pequeño; y, además, los leptones no están sujetos a violación de CP por la interacción débil directamente; son quarks que están sujetos a violación de CP, por lo que la violación de CP debe ocurrir a través de procesos débiles de orden superior. Las amplitudes para tales procesos son bastante pequeñas y, por lo tanto, el momento dipolar de electrones eléctricos también debe ser pequeño.
