Elektroner er ekstremt runde, og nogle fysikere er ikke glade for det.
Et nyt eksperiment fandt den mest detaljerede opfattelse af elektroner indtil nu ved hjælp af lasere til at afsløre bevis for partikler, der omgiver partiklerne, rapporterede forskere i en ny undersøgelse. Ved at tænde molekyler var forskerne i stand til at fortolke, hvordan andre subatomære partikler ændrer fordelingen af en elektrons ladning.
Elektronernes symmetriske rundhed antydede, at usete partikler ikke er store nok til at skjule elektroner i klemte aflange former eller ovaler. Disse fund bekræfter igen en langvarig fysiksteori, kendt som standardmodellen, der beskriver hvordan partikler og kræfter i universet opfører sig.
Samtidig kunne denne nye opdagelse vælte flere alternative fysiksteorier, der forsøger at udfylde emnerne om fænomener, som standardmodellen ikke kan forklare. Dette sender nogle sandsynligvis meget utilfredse fysikere tilbage til tegnebrættet, sagde studiemedforfatter David DeMille, professor ved Institut for Fysik ved Yale University i New Haven, Connecticut.
"Det vil bestemt ikke gøre nogen meget glad," fortalte DeMille til Live Science.
En velafprøvet teori
Fordi subatomære partikler endnu ikke kan observeres direkte, lærer forskere om objekterne gennem indirekte bevis. Ved at observere, hvad der sker i vakuumet omkring negativt ladede elektroner - menes at sværmme med skyer af endnu-usete partikler - kan forskere oprette modeller for partikelopførsel, sagde DeMille.
Standardmodellen beskriver de fleste af interaktionerne mellem alle materiens byggesten, såvel som de kræfter, der virker på disse partikler. I årtier har denne teori med succes forudsagt, hvordan materien opfører sig.
Der er dog et par irriterende undtagelser fra modellens forklarende succes. Standardmodellen forklarer ikke mørkt stof, et mystisk og usynligt stof, der udøver en tyngdekrafttrækning, men alligevel udsender intet lys. Og modellen redegør ikke for tyngdekraften sammen med de andre grundlæggende kræfter, der påvirker stof, ifølge Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning (CERN).
Alternative fysikteorier giver svar, hvor standardmodellen kommer til kort. Standardmodellen forudsiger, at partikler, der omgiver elektroner, påvirker en elektrons form, men i en så uendelig skala, at de kan være temmelig uopdagelige ved hjælp af eksisterende teknologi. Men andre teorier antyder, at der er så uopdagede tunge partikler. F.eks. Hævder den supersymmetriske standardmodel, at hver partikel i standardmodellen har en antimatterpartner. Disse hypotetiske tungvægtspartikler ville deformere elektroner i en grad, som forskere skulle være i stand til at observere, sagde forfatterne af den nye undersøgelse.
Lysende elektroner
For at teste disse forudsigelser peerede nye eksperimenter på elektroner i en opløsning, der var 10 gange større end tidligere indsats, afsluttet i 2014; begge undersøgelser blev foretaget af forskningsprojektet Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Forskerne søgte et undvigende (og uprovokeret) fænomen kaldet det elektriske dipol-øjeblik, hvor en elektrons sfæriske form ser ud til at være deformeret - "buler i den ene ende og bulede på den anden," forklarede DeMille - på grund af tunge partikler, der påvirker elektronens ladning.
Disse partikler ville være "mange, mange størrelsesordener større" end partikler forudsagt af standardmodellen, "så det er en meget klar måde at fortælle, om der sker noget nyt ud over standardmodellen," sagde DeMille.
I den nye undersøgelse dirigerede ACME-forskere en stråle af kolde thoriumoxidmolekyler med en hastighed på 1 million pr. Puls, 50 gange pr. Sekund, ind i et relativt lille kammer i en kælder ved Harvard University. Forskerne zappede molekylerne med lasere og studerede lyset, der reflekteres tilbage af molekylerne; bøjninger i lyset peger på et elektrisk dipol-øjeblik.
Men der var ingen vendinger i det reflekterede lys, og dette resultat kaster en mørk skygge over fysiksteorierne, der forudsagde tunge partikler omkring elektroner, sagde forskerne. Disse partikler eksisterer muligvis stadig, men de ville være meget forskellige fra hvordan de er beskrevet i eksisterende teorier, sagde DeMille i en erklæring.
"Vores resultat fortæller det videnskabelige samfund, at vi er nødt til at alvorligt genoverveje nogle af de alternative teorier," sagde DeMille.
Mørke opdagelser
Mens dette eksperiment vurderede partikelopførsel omkring elektroner, giver det også vigtige konsekvenser for søgningen efter mørkt stof, sagde DeMille. Som subatomære partikler kan mørkt stof ikke observeres direkte. Men astrofysikere ved, at det er der, fordi de har observeret dens gravitationspåvirkning på stjerner, planeter og lys.
"Ligesom os kigger i hjertet af, hvor mange teorier har forudsagt - i lang tid og af meget gode grunde - der skulle vises et signal," sagde DeMille. "Og alligevel ser de ikke noget, og vi ser ikke noget."
Både mørkt stof og nye subatomære partikler, som ikke blev forudsagt af standardmodellen, er endnu ikke direkte set; stadigvæk antyder et voksende organ af overbevisende beviser, at disse fænomener eksisterer. Men før forskere kan finde dem, vil nogle mangeårige ideer om, hvordan de ser ud, sandsynligvis nødt til at blive skrotet, tilføjede DeMille.
”Forventningerne til nye partikler ser mere og mere ud som om de havde været forkert,” sagde han.
Resultaterne blev offentliggjort online i dag (17. oktober) i tidsskriftet Nature.
