Elektroner er ekstremt runde, og noen fysikere er ikke fornøyd med det.
Et nytt eksperiment fanget det mest detaljerte synet på elektronene til dags dato, ved hjelp av lasere for å avsløre bevis for partikler som omgir partiklene, rapporterte forskere i en ny studie. Ved å tenne opp molekyler, var forskerne i stand til å tolke hvordan andre subatomære partikler endrer distribusjonen av et elektronladning.
Elektronenes symmetriske rundhet antydet at usettede partikler ikke er store nok til å skjule elektroner i klemte avlange former, eller ovaler. Disse funnene bekrefter nok en årelang fysikkteori, kjent som Standard Model, som beskriver hvordan partikler og krefter i universet oppfører seg.
Samtidig kan denne nye oppdagelsen velte flere alternative fysiske teorier som prøver å fylle ut feltene om fenomener som standardmodellen ikke kan forklare. Dette sender noen sannsynligvis veldig misfornøyde fysikere tilbake til tegnebrettet, sa studieforsker David DeMille, professor ved Institutt for fysikk ved Yale University i New Haven, Connecticut.
"Det kommer absolutt ikke til å gjøre noen veldig lykkelige," sa DeMille til Live Science.
En godt testet teori
Fordi subatomære partikler ennå ikke kan observeres direkte, lærer forskere om objektene gjennom indirekte bevis. Ved å observere hva som skjer i vakuumet rundt negativt ladede elektroner - antatt å sverme med skyer av ennå usagte partikler - kan forskere lage modeller for partikkelatferd, sa DeMille.
Standardmodellen beskriver det meste av samspillet mellom alle materiens byggesteiner, så vel som kreftene som virker på disse partiklene. I flere tiår har denne teorien med hell spådd hvordan materien oppfører seg.
Imidlertid er det noen få irriterende unntak fra modellens forklarende suksess. Standardmodellen forklarer ikke mørk materie, et mystisk og usynlig stoff som utøver et gravitasjonstrekk, men som likevel ikke avgir noe lys. Og modellen redegjør ikke for tyngdekraften sammen med de andre grunnleggende kreftene som påvirker saken, ifølge European Organization for Nuclear Research (CERN).
Alternative fysikkteorier gir svar der Standard Model kommer til kort. Standardmodellen forutsier at partikler som omgir elektron, påvirker en elektronform, men i en så uendelig skala at de er ganske lite påviselige ved bruk av eksisterende teknologi. Men andre teorier antyder at det er like uoppdagede tunge partikler. For eksempel antyder den supersymmetriske standardmodellen at hver partikkel i standardmodellen har en antimateriell partner. De hypotetiske tungvektige partiklene ville deformere elektroner i en grad som forskere bør kunne observere, sier forfatterne av den nye studien.
Lysende elektroner
For å teste disse prediksjonene, nye eksperimenter kikket på elektronene i en oppløsning 10 ganger større enn tidligere innsats, fullført i 2014; begge undersøkelsene ble utført av forskningsprosjektet Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Forskerne søkte et unnvikende (og uprovosert) fenomen kalt det elektriske dipoløyeblikket, der et elektron sfærisk form ser ut til å være deformert - "bulket i den ene enden og bulet på den andre," forklarte DeMille - på grunn av tunge partikler som påvirker elektronens ladning.
Disse partiklene vil være "mange, mange størrelsesordener større" enn partikler forutsagt av standardmodellen, "så det er en veldig tydelig måte å si om det er noe nytt som skjer utenfor Standardmodellen," sa DeMille.
For den nye studien ledet ACME-forskere en bjelke med kaldt thoriumoksydmolekyler med en hastighet på 1 million per puls, 50 ganger per sekund, inn i et relativt lite kammer i en kjeller på Harvard University. Forskerne zappet molekylene med lasere og studerte lyset som reflekteres tilbake av molekylene; bøyer i lyset skulle peke på et elektrisk dipoløyeblikk.
Men det var ingen vendinger i det reflekterte lyset, og dette resultatet kaster en mørk skygge over fysikkteoriene som spådde tunge partikler rundt elektroner, sa forskerne. Disse partiklene kan fremdeles eksistere, men de vil være veldig forskjellige fra hvordan de er beskrevet i eksisterende teorier, sa DeMille i en uttalelse.
"Resultatet vårt forteller det vitenskapelige samfunnet at vi må seriøst revurdere noen av de alternative teoriene," sa DeMille.
Mørke funn
Mens dette eksperimentet evaluerte partikkelatferd rundt elektron, gir det også viktige implikasjoner for jakten på mørk materie, sa DeMille. I likhet med subatomære partikler kan ikke mørke stoffer observeres direkte. Men astrofysikere vet at det er der, fordi de har observert dens gravitasjonspåvirkning på stjerner, planeter og lys.
"I likhet med oss, ser vi i hjertet av hvor mange teorier har spådd - i lang tid og av veldig gode grunner - det skal vises et signal," sa DeMille. "Og ennå, de ser ikke noe, og vi ser ikke noe."
Både mørk materie og nye subatomære partikler som ikke ble spådd av standardmodellen, er ennå ikke direkte sett; fremdeles tyder et voksende antall overbevisende bevis på at disse fenomenene eksisterer. Men før forskere kan finne dem, vil antagelig mange ideer om hvordan de ser ut, trolig bli slettet, la DeMille til.
"Forventningene om nye partikler ser mer og mer ut som de hadde tatt feil," sa han.
Funnene ble publisert online i dag (17. oktober) i tidsskriftet Nature.
