Elektronen zijn absoluut rond, en sommige natuurkundigen zijn hier niet blij mee.
Het nieuwe experiment legde tot nu toe de meest gedetailleerde afbeeldingen van elektronen vast. Wetenschappers hebben lasers gebruikt om sporen van deeltjes rond de deeltjes te detecteren. Door moleculen te verlichten, konden de onderzoekers begrijpen hoe subatomaire deeltjes de verdeling van de lading van een elektron veranderen.
De symmetrische ronde vorm van de elektronen suggereert dat de onzichtbare deeltjes niet groot genoeg zijn om de vorm van de elektronen in ovaal te veranderen. De resultaten van de studie bevestigen opnieuw een oude fysische theorie die bekend staat als het standaardmodel, die beschrijft hoe deeltjes en krachten in het universum zich gedragen.
En tegelijkertijd zou de nieuwe ontdekking verschillende theorieën van alternatieve fysica kunnen veranderen die proberen ontbrekende informatie te vinden over verschijnselen die het standaardmodel niet kan verklaren.
Omdat subatomaire deeltjes niet rechtstreeks kunnen worden waargenomen, leren wetenschappers erover door indirect bewijs. Door te observeren wat er in een vacuüm gebeurt rond negatief geladen elektronen waarvan wordt aangenomen dat ze omgeven zijn door wolken van nog onzichtbare deeltjes, kunnen onderzoekers modellen maken voor het gedrag van subatomen.
Het standaardmodel beschrijft de interacties tussen alle bouwstenen van materie, evenals de krachten die op subatomaire deeltjes werken. Deze theorie heeft decennia lang met succes voorspeld hoe materie zich zal gedragen.
Er zijn echter een aantal punten die het model niet kan verklaren. Bijvoorbeeld donkere materie, een mysterieuze en onzichtbare substantie die in staat is tot aantrekkingskracht, maar geen licht uitzendt. Ook verklaart het model de zwaartekracht niet, evenals andere fundamentele krachten die materie beïnvloeden.
Alternatieve natuurkundetheorieën bieden antwoorden waar het standaardmodel faalt. Het Standaardmodel voorspelt dat de deeltjes die een elektron omringen zijn vorm beïnvloeden, maar op zo'n oneindig kleine schaal dat het bijna onmogelijk is om met bestaande technologie te detecteren.
Promotie video:
Maar andere theorieën zeggen dat er nog steeds niet bekendgemaakte zware deeltjes zijn. Het supersymmetrische standaardmodel stelt bijvoorbeeld dat elk deeltje in het standaardmodel een antimateriepartner heeft. Deze hypothetische zware deeltjes kunnen elektronen vervormen tot het punt dat onderzoekers kunnen zien. Om deze voorspellingen te testen, keek het nieuwe experiment naar elektronen met 10 keer de resolutie van een eerdere poging in 2014.
Onderzoekers waren op zoek naar een ongrijpbaar en onbewezen fenomeen, het elektrische dipoolmoment, waarbij de bolvorm van een elektron lijkt te zijn vervormd - "verpletterd aan het ene uiteinde en convex aan het andere", legt DeMille uit. Deze vorm zou een gevolg moeten zijn van de invloed van zware deeltjes op de elektronenlading.
Deze deeltjes zouden "vele, vele ordes van grootte sterker" zijn dan de deeltjes die door het standaardmodel worden voorspeld, dus het zou "een overtuigende manier zijn om te bewijzen of er iets gebeurt buiten de verklaringen van het standaardmodel", zegt DeMille.
Voor de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers bundels koude thoriumoxidemoleculen met een snelheid van 1 miljoen per puls 50 keer per seconde in een relatief kleine kamer in de kelder van Harvard University. Wetenschappers vuurden lasers af op moleculen en onderzochten hoe licht ervan zou worden gereflecteerd; breking in licht zou duiden op een elektrisch dipoolmoment.
Maar er was geen vervorming in gereflecteerd licht, en dit resultaat doet twijfels rijzen over fysische theorieën die voorspellen dat zware deeltjes rond elektronen zwermen. Deze deeltjes kunnen bestaan, maar zullen waarschijnlijk verschillen van wat wordt beschreven in bestaande theorieën.
"Ons resultaat vertelt de wetenschappelijke gemeenschap om alternatieve theorieën serieus te heroverwegen", zegt DeMille.
Terwijl het experiment het gedrag van deeltjes rond elektronen evalueerde, leverde het ook belangrijke inzichten op voor het zoeken naar donkere materie. Net als subatomaire deeltjes kan donkere materie niet rechtstreeks worden waargenomen. Maar astrofysici weten dat het bestaat omdat ze de zwaartekrachtsinvloed op sterren, planeten en licht hebben waargenomen.
"Net als wij kijken astrofysici naar waar veel theorieën een signaal hebben voorspeld", zegt DeMille. 'En terwijl ze niets zien, en wij niets zien.'
Zowel donkere materie als nieuwe subatomaire deeltjes die het standaardmodel niet voorspelde, zijn nog niet direct zichtbaar; toch suggereert een groeiend aantal overtuigend bewijs dat deze verschijnselen bestaan. Maar voordat wetenschappers ze vinden, is het waarschijnlijk de moeite waard om enkele oude theorieën te negeren.
"Voorspellingen over hoe subatomaire deeltjes eruit zien, lijken steeds onwaarschijnlijker", zegt DeMille.
