Elektrony są wyjątkowo okrągłe i niektórzy fizycy nie są z tego zadowoleni.
W nowym eksperymencie uchwycono jak dotąd najbardziej szczegółowy widok elektronów, wykorzystując lasery do ujawnienia dowodów otaczających je cząstek, jak donosili naukowcy w nowym badaniu. Zapalając cząsteczki, naukowcy byli w stanie zinterpretować, w jaki sposób inne cząsteczki subatomowe zmieniają rozkład ładunku elektronu.
Symetryczna okrągłość elektronów sugeruje, że niewidzialne cząstki nie są wystarczająco duże, aby pochylić elektrony w zgniecione podłużne kształty lub owale. Odkrycia te ponownie potwierdzają długoletnią teorię fizyki, znaną jako Model Standardowy, która opisuje zachowanie cząstek i sił we wszechświecie.
Jednocześnie to nowe odkrycie może obalić kilka alternatywnych teorii fizyki, które próbują wypełnić puste pola dotyczące zjawisk, których Model Standardowy nie jest w stanie wyjaśnić. To wysyła niektórych prawdopodobnie bardzo niezadowolonych fizyków z powrotem do tablicy kreślarskiej, powiedział współautor badań David DeMille, profesor z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Yale w New Haven, Connecticut.
„Z pewnością nie uszczęśliwi nikogo”, powiedział DeMille dla Live Science.
Sprawdzona teoria
Ponieważ cząstek subatomowych nie można jeszcze bezpośrednio zaobserwować, naukowcy dowiadują się o przedmiotach poprzez pośrednie dowody. DeMille powiedział, że obserwując, co dzieje się w próżni wokół ujemnie naładowanych elektronów - uważanych za rojące się z chmur jeszcze niewidzialnych cząstek - naukowcy mogą stworzyć modele zachowania cząstek.
Model standardowy opisuje większość interakcji między wszystkimi blokami budulcowymi materii, a także siły działające na te cząsteczki. Przez dziesięciolecia teoria z powodzeniem przewidywała zachowanie materii.
Istnieje jednak kilka dokuczliwych wyjątków od objaśniającego sukcesu modelu. Model standardowy nie wyjaśnia ciemnej materii, tajemniczej i niewidzialnej substancji, która wywiera siłę grawitacji, ale nie emituje światła. Według Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) model nie uwzględnia grawitacji obok innych podstawowych sił, które wpływają na materię.
Alternatywne teorie fizyki oferują odpowiedzi tam, gdzie brakuje Modelu Standardowego. Model standardowy przewiduje, że cząsteczki otaczające elektrony wpływają na kształt elektronu, ale w tak nieskończenie małej skali, że można go praktycznie nie wykryć przy użyciu istniejącej technologii. Ale inne teorie wskazują, że istnieją jeszcze nieodkryte ciężkie cząsteczki. Na przykład supersymetryczny model standardowy zakłada, że każda cząstka w modelu standardowym ma partnera antymaterii. Te hipotetyczne ciężkie cząstki deformowałyby elektrony w stopniu, który naukowcy powinni być w stanie zaobserwować, powiedzieli autorzy nowego badania.
Elektrony świetlne
Aby przetestować te prognozy, nowe eksperymenty badały elektrony przy rozdzielczości 10 razy większej niż poprzednie wysiłki, zakończone w 2014 r .; oba badania zostały przeprowadzone w ramach projektu badawczego Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Badacze poszukiwali nieuchwytnego (i niesprawdzonego) zjawiska zwanego elektrycznym momentem dipolowym, w którym sferyczny kształt elektronu wydaje się zdeformowany - „wgięty z jednej strony i wybrzuszony z drugiej” - wyjaśnił DeMille - z powodu ciężkich cząstek wpływających na ładunek elektronu.
Cząstki te byłyby „o wiele, wiele rzędów wielkości większe” niż cząstki przewidywane przez Model Standardowy, „więc jest to bardzo jasny sposób na stwierdzenie, czy coś nowego dzieje się poza Modelem Standardowym” - powiedział DeMille.
W ramach nowego badania naukowcy z ACME skierowali wiązkę zimnych cząsteczek tlenku toru z szybkością 1 miliona na impuls, 50 razy na sekundę, do stosunkowo małej komory w piwnicy na Uniwersytecie Harvarda. Naukowcy uderzyli molekuły w lasery i zbadali światło odbite przez molekuły; zakręty w świetle wskazywałyby na elektryczny moment dipolowy.
Naukowcy stwierdzili jednak, że w odbitym świetle nie było żadnych zwrotów, a ten wynik rzuca ciemny cień na teorie fizyki, które przewidywały ciężkie cząstki wokół elektronów. DeMille powiedział w oświadczeniu, że cząstki te mogą nadal istnieć, ale byłyby bardzo różne od tego, jak zostały opisane w istniejących teoriach.
„Nasz wynik mówi społeczności naukowej, że musimy poważnie przemyśleć niektóre alternatywne teorie” - powiedział DeMille.
Mroczne odkrycia
Podczas tego eksperymentu oceniano zachowanie cząstek wokół elektronów, ale zapewnia ono także ważne implikacje dla poszukiwania ciemnej materii, powiedział DeMille. Podobnie jak cząsteczki subatomowe, ciemnej materii nie można bezpośrednio zaobserwować. Ale astrofizycy wiedzą, że tam jest, ponieważ zaobserwowali jej grawitacyjny wpływ na gwiazdy, planety i światło.
„Podobnie jak my, szukamy w sercu, gdzie wiele teorii przewiduje - od dawna i z bardzo dobrych powodów - powinien pojawić się sygnał” - powiedział DeMille. „A jednak nic nie widzą i niczego nie widzimy”.
Zarówno ciemna materia, jak i nowe cząsteczki subatomowe, których model standardowy nie przewidywał, muszą zostać bezpośrednio zauważone; wciąż rosnąca liczba przekonujących dowodów sugeruje, że zjawiska te istnieją. Ale zanim naukowcy będą w stanie je znaleźć, niektóre długoterminowe pomysły dotyczące tego, jak wyglądają, prawdopodobnie będą musiały zostać złomowane, dodał DeMille.
„Oczekiwania dotyczące nowych cząstek wyglądają coraz bardziej, jakby były w błędzie” - powiedział.
Odkrycia zostały opublikowane w Internecie dzisiaj (17 października) w czasopiśmie Nature.
