Elektronit ovat erittäin pyöreitä, ja jotkut fyysikot eivät ole siitä tyytyväisiä.
Uudessa kokeessa kaapattiin yksityiskohtaisin kuva elektroneista tähän mennessä, laserien avulla paljastaen todisteet hiukkasia ympäröivistä hiukkasista, tutkijat kertovat uudessa tutkimuksessa. Valaisemalla molekyylejä tutkijat kykenivät tulkitsemaan, kuinka muut subatomiset hiukkaset muuttavat elektronin varauksen jakautumista.
Elektronien symmetrinen pyöreys viittasi siihen, että näkymättömät hiukkaset eivät ole riittävän suuria elektronien vinouttamiseksi siroteltuihin pitkänomaisiin muotoihin tai soikeisiin. Nämä havainnot vahvistavat jälleen pitkäaikaisen fysiikan teorian, joka tunnetaan nimellä Standard Model, joka kuvaa, kuinka hiukkaset ja voimat universumissa käyttäytyvät.
Samanaikaisesti tämä uusi löytö voisi kumota useita vaihtoehtoisia fysiikan teorioita, jotka yrittävät täyttää tyhjiä ilmiöitä, joita standardimalli ei pysty selittämään. Tämä lähettää jotkut todennäköisesti erittäin tyytymättömät fyysikot takaisin piirustuslautaan, sanoi tutkimuksen avustaja David DeMille, professori Yale Universityn fysiikan laitoksella New Havenissa, Connecticutissa.
"Se ei todellakaan tee ketään kovin onnelliseksi", DeMille kertoi Live Science: lle.
Hyvin testattu teoria
Koska subatomisia hiukkasia ei vielä voida suoraan havaita, tutkijat oppivat esineistä epäsuoran näytön avulla. Tarkkailemalla mitä tapahtuu tyhjiössä negatiivisesti varautuneiden elektronien ympärillä - joiden ajatellaan olevan parveilevia vielä silmättömien hiukkasten pilvien kanssa - tutkijat voivat luoda malleja hiukkasten käyttäytymisestä, DeMille sanoi.
Vakiomalli kuvaa suurimman osan vuorovaikutuksesta kaikkien aineen rakennuslohkojen välillä sekä näihin hiukkasiin vaikuttavien voimien välillä. Vuosikymmenien ajan tämä teoria on onnistuneesti ennustanut, kuinka aine käyttäytyy.
Kuitenkin on olemassa muutamia räikeitä poikkeuksia mallin selittävään menestykseen. Vakiomalli ei selitä tummaa ainetta, salaperäistä ja näkymätöntä ainetta, joka vetää painovoimaa, mutta ei säteile valoa. Ja malli ei ota huomioon painovoimaa muiden aineeseen vaikuttavien perusvoimien rinnalla, Euroopan ydintutkimusjärjestön (CERN) mukaan.
Vaihtoehtoiset fysiikan teoriat tarjoavat vastauksia tilanteisiin, joissa vakiomalli puuttuu. Vakiomalli ennustaa, että elektroneja ympäröivät hiukkaset vaikuttavat elektronin muotoon, mutta niin äärettömän pienessä mittakaavassa, että sitä ei voida melkein havaita nykyistä tekniikkaa käyttämällä. Mutta muut teoriat viittaavat siihen, että olemassa on vielä löytämättömiä raskaita hiukkasia. Esimerkiksi supersymmetrinen vakiomalli väittää, että jokaisessa standardimallin hiukkasella on antimateria partneri. Nämä hypoteettiset raskaat hiukkaset vääristäisivät elektroneja siinä määrin, että tutkijoiden pitäisi pystyä havaitsemaan, uuden tutkimuksen kirjoittajat sanoivat.
Valaisevat elektronit
Näiden ennusteiden testaamiseksi vuonna 2014 valmistuivat uudet kokeet, jotka koskivat elektroneja resoluutiolla, joka on 10 kertaa suurempi kuin aikaisemmat ponnistelut; molemmat tutkimukset tehtiin tutkimushankkeessa Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Tutkijat etsivät vaikeita (ja todistamattomia) ilmiöitä, joita kutsutaan sähköiseksi dipolimomentiksi, joissa elektronin pallomainen muoto näyttää muodonmuutokselta - "kolhun toisessa päässä ja pullistuneena toisessa", DeMille selitti - johtuen raskaiden hiukkasten vaikutuksesta elektronin varaukseen.
Nämä hiukkaset olisivat "monia, useita suuruusluokkia suurempia" kuin vakiomallin ennustamat hiukkaset ", joten se on erittäin selkeä tapa kertoa, tapahtuuko jotain uutta standardimallin ulkopuolella", DeMille sanoi.
Uutta tutkimusta varten ACME-tutkijat ohjasivat kylmien toriumoksidimolekyylien säteen nopeudella 1 miljoona pulssia kohden, 50 kertaa sekunnissa, suhteellisen pieneen kammioon kellarissa Harvardin yliopistossa. Tutkijat löysivät molekyylit lasereilla ja tutkivat molekyylien takaisin heijastamaa valoa; taivutukset valossa osoittaisivat sähköisen dipolimomentin.
Mutta heijastuneessa valossa ei ollut käännöksiä, ja tämä tulos heittää tumman varjon fysiikan teorioille, jotka ennustivat raskaita hiukkasia elektronien ympärillä, tutkijat sanoivat. Nuo hiukkaset saattavat vielä olla olemassa, mutta ne eroavat toisistaan paljon siitä, kuinka niitä on kuvattu olemassa olevissa teorioissa, DeMille sanoi lausunnossaan.
"Tuloksemme kertoo tiedeyhteisölle, että meidän on harkittava vakavasti joitain vaihtoehtoisia teorioita", DeMille sanoi.
Tumma löytö
Vaikka tämä kokeilu arvioi hiukkasten käyttäytymistä elektronien ympärillä, se tarjoaa myös tärkeitä vaikutuksia tumman aineen etsimiseen, DeMille sanoi. Kuten subatomiset hiukkaset, tummaa ainetta ei voida suoraan havaita. Mutta astrofysiikit tietävät sen olevan olemassa, koska he ovat havainneet sen painovoiman vaikutuksen tähtiihin, planeetoihin ja valoon.
"Aivan kuten me, etsimme sydämessä sitä, missä monet teoriat ovat ennustaneet - jo pitkään ja erittäin hyvistä syistä - signaalin pitäisi ilmestyä", DeMille sanoi. "Ja vielä, he eivät näe mitään, emmekä näe mitään."
Sekä tumma aine että uudet alaatomiset hiukkaset, joita standardimalli ei ennakoinut, on vielä havaittava suoraan; silti kasvava joukko pakottavia todisteita viittaa siihen, että näitä ilmiöitä on olemassa. Mutta ennen kuin tutkijat löytävät ne, on todennäköisesti romutettava joitain pitkäaikaisia ideoita siitä, miltä ne näyttävät, DeMille lisäsi.
"Odotukset uusista hiukkasista näyttävät yhä enemmän kuin ne olisivat olleet väärässä", hän sanoi.
Havainnot julkaistiin verkossa tänään (17. lokakuuta) Nature-lehdessä.
