Elektrony są absolutnie okrągłe i niektórzy fizycy są z tego powodu niezadowoleni.
W nowym eksperymencie uzyskano jak dotąd najbardziej szczegółowe obrazy elektronów. Naukowcy wykorzystali lasery do wykrywania cząstek otaczających cząstki. Oświetlając cząsteczki, naukowcy byli w stanie zrozumieć, w jaki sposób cząstki subatomowe zmieniają rozkład ładunku elektronu.
Symetryczny okrągły kształt elektronów sugeruje, że niewidoczne cząstki nie są wystarczająco duże, aby zmienić kształt elektronów na owalny. Wyniki badań potwierdzają starą teorię fizyczną znaną jako model standardowy, która opisuje zachowanie cząstek i sił we wszechświecie.
Jednocześnie nowe odkrycie może obrócić kilka teorii fizyki alternatywnej, które próbują znaleźć brakujące informacje o zjawiskach, których Model Standardowy nie może wyjaśnić.
Ponieważ cząstek subatomowych nie można bezpośrednio obserwować, naukowcy dowiadują się o nich na podstawie poszlak. Obserwując, co dzieje się w próżni wokół ujemnie naładowanych elektronów, które, jak się uważa, są otoczone chmurami jeszcze niewidzialnych cząstek, naukowcy mogą stworzyć modele zachowania subatomów.
Model standardowy opisuje interakcje między wszystkimi elementami budulcowymi materii, a także siły działające na cząstki subatomowe. Teoria ta od dziesięcioleci z powodzeniem przewiduje zachowanie materii.
Jest jednak kilka punktów, których model nie jest w stanie wyjaśnić. Na przykład ciemna materia, tajemnicza i niewidzialna substancja, która jest zdolna do przyciągania grawitacyjnego, ale nie emituje światła. Model nie wyjaśnia również grawitacji ani innych podstawowych sił, które wpływają na materię.
Alternatywne teorie fizyki oferują odpowiedzi tam, gdzie model standardowy zawodzi. Model Standardowy przewiduje, że cząsteczki otaczające elektron wpływają na jego kształt, ale w tak nieskończenie małej skali, że wykrycie przy użyciu istniejącej technologii jest prawie niemożliwe.
Film promocyjny:
Ale inne teorie mówią, że nadal istnieją nieujawnione ciężkie cząstki. Na przykład supersymetryczny model standardowy stwierdza, że każda cząstka w modelu standardowym ma partnera w postaci antymaterii. Te hipotetyczne ciężkie cząstki mogą odkształcać elektrony do tego stopnia, że naukowcy mogą to zobaczyć. Aby przetestować te przewidywania, w nowym eksperymencie przyjrzano się elektronom o rozdzielczości 10 razy większej niż podczas poprzedniej próby z 2014 roku.
Badacze szukali nieuchwytnego i niesprawdzonego zjawiska zwanego elektrycznym momentem dipolowym, w którym kulisty kształt elektronu wydaje się być zdeformowany - „zgnieciony z jednej strony i wypukły z drugiej” - wyjaśnia DeMille. Ta forma powinna być konsekwencją wpływu ciężkich cząstek na ładunek elektronu.
Te cząstki byłyby „wiele, wiele rzędów wielkości silniejsze” niż cząstki przewidywane przez Model Standardowy, więc byłby to „przekonujący sposób na udowodnienie, czy coś dzieje się poza wyjaśnieniami Modelu Standardowego” - mówi DeMille.
Do nowych badań naukowcy wykorzystali wiązki zimnych cząsteczek tlenku toru z szybkością 1 miliona na impuls 50 razy na sekundę w stosunkowo małej komorze w piwnicy Uniwersytetu Harvarda. Naukowcy wystrzelili lasery w cząsteczki i badali, w jaki sposób światło będzie od nich odbijane; załamanie światła wskazywałoby na elektryczny moment dipolowy.
Jednak w świetle odbitym nie było zniekształcenia, a ten wynik poddaje w wątpliwość teorie fizyczne, które przewidują, że ciężkie cząstki roi się wokół elektronów. Te cząstki mogą istnieć, ale prawdopodobnie będą się różnić od tego, co opisano w istniejących teoriach.
„Nasz wynik każe społeczności naukowej poważnie przemyśleć alternatywne teorie” - mówi DeMille.
Podczas gdy eksperyment oceniał zachowanie cząstek wokół elektronów, dostarczył również ważnych informacji dotyczących poszukiwań ciemnej materii. Podobnie jak cząstki subatomowe, ciemnej materii nie można obserwować bezpośrednio. Ale astrofizycy wiedzą, że istnieje, ponieważ zaobserwowali jego grawitacyjny wpływ na gwiazdy, planety i światło.
„Podobnie jak my, astrofizycy przyglądają się, gdzie wiele teorii przewidziało sygnał” - mówi DeMille. - A kiedy oni nic nie widzą, a my nic nie widzimy.
Zarówno ciemna materia, jak i nowe cząstki subatomowe, których Model Standardowy nie przewidział, pozostaną widoczne bezpośrednio; jednak rosnąca liczba rozstrzygających dowodów sugeruje, że te zjawiska istnieją. Zanim jednak naukowcy je znajdą, prawdopodobnie warto odrzucić niektóre stare teorie.
„Prognozy dotyczące wyglądu cząstek subatomowych wydają się coraz bardziej nieprawdopodobne” - mówi DeMille.