Elektroner är extremt runda, och vissa fysiker är inte nöjda med det.
Ett nytt experiment fångade den mest detaljerade bilden av elektroner hittills med lasrar för att avslöja bevis för partiklar som omger partiklarna, rapporterade forskare i en ny studie. Genom att tända upp molekyler kunde forskarna tolka hur andra subatomära partiklar förändrar distributionen av en elektrons laddning.
Elektronernas symmetriska rundhet antydde att osynliga partiklar inte är tillräckligt stora för att skeva elektroner till klämda avlånga former eller ovaler. Dessa fynd bekräftar återigen en långvarig fysikteori, känd som standardmodellen, som beskriver hur partiklar och krafter i universum beter sig.
Samtidigt kan denna nya upptäckt välta flera alternativa fysikteorier som försöker fylla i tomma ämnen om fenomen som standardmodellen inte kan förklara. Detta skickar förmodligen mycket missnöjda fysiker tillbaka till tavlan, säger studiens medförfattare David DeMille, professor vid Institutionen för fysik vid Yale University i New Haven, Connecticut.
"Det kommer verkligen inte att göra någon väldigt glad," sa DeMille till Live Science.
En väl testad teori
Eftersom subatomära partiklar ännu inte kan observeras direkt, lär sig forskare om föremålen genom indirekta bevis. Genom att observera vad som händer i vakuumet kring negativt laddade elektroner - som tros svärma med moln av ännu osynliga partiklar - kan forskare skapa modeller av partikelbeteende, sade DeMille.
Standardmodellen beskriver de flesta av interaktioner mellan alla materiens byggstenar, såväl som krafterna som verkar på dessa partiklar. I årtionden har denna teori framgångsrikt förutsett hur materien beter sig.
Det finns dock några gnagande undantag från modellens förklarande framgång. Standardmodellen förklarar inte mörk materia, ett mystiskt och osynligt ämne som utövar ett gravitationellt drag, men emellertid avger inget ljus. Och modellen står inte för allvar med de andra grundläggande krafterna som påverkar materien, enligt European Organization for Nuclear Research (CERN).
Alternativa fysikteorier erbjuder svar där standardmodellen inte kommer till. Standardmodellen förutspår att partiklar som omger elektroner påverkar en elektrons form, men i en så oändlig skala att de är ganska mycket odetekterbara med hjälp av befintlig teknik. Men andra teorier antyder att det finns ännu oupptäckta tunga partiklar. Exempelvis uppger Supersymmetric Standard Model att varje partikel i Standard Model har en antimateriell partner. De hypotetiska tungviktspartiklarna skulle deformera elektroner till en viss grad som forskare bör kunna observera, säger författarna till den nya studien.
Lysande elektroner
För att testa dessa förutsägelser tittade nya experiment på elektroner i en upplösning som var tio gånger större än tidigare ansträngningar, som slutfördes 2014; båda undersökningarna genomfördes av forskningsprojektet Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Forskarna sökte ett svårfångat (och obevisat) fenomen som kallas det elektriska dipolmomentet, där en elektrons sfäriska form verkar deformerad - "bukad i ena änden och utbuktad i den andra," förklarade DeMille - på grund av tunga partiklar som påverkar elektronens laddning.
Dessa partiklar skulle vara "många, många storleksordningar större" än partiklar som förutses av standardmodellen, "så det är ett mycket tydligt sätt att säga om det händer något nytt utöver standardmodellen," sade DeMille.
För den nya studien riktade ACME-forskare en stråle av kalla thoriumoxidmolekyler med en hastighet av 1 miljon per puls, 50 gånger per sekund, in i en relativt liten kammare i en källare vid Harvard University. Forskarna tappade molekylerna med lasrar och studerade det reflekterade ljuset av molekylerna. böjningar i ljuset skulle peka på ett elektriskt dipolmoment.
Men det fanns inga vändningar i det reflekterade ljuset, och detta resultat kastar en mörk skugga över fysikteorierna som förutspådde tunga partiklar runt elektroner, sade forskarna. De partiklarna kan fortfarande existera, men de skulle vara mycket olika från hur de har beskrivits i befintliga teorier, säger DeMille i ett uttalande.
"Vårt resultat berättar för den vetenskapliga gemenskapen att vi måste allvarligt ompröva några av de alternativa teorierna," sade DeMille.
Mörka upptäckter
Medan detta experiment utvärderade partikelbeteende kring elektroner ger det också viktiga konsekvenser för sökandet efter mörkt material, sade DeMille. Liksom subatomära partiklar kan mörk materia inte direkt observeras. Men astrofysiker vet att det är där, eftersom de har observerat gravitationspåverkan på stjärnor, planeter och ljus.
"Mycket som oss, ser i hjärtat av där många teorier har förutspått - under lång tid och av mycket goda skäl - en signal borde dyka upp," sa DeMille. "Och ändå ser de ingenting och vi ser ingenting."
Både mörk materia och nya subatomära partiklar som inte förutses av standardmodellen ska ännu inte direkt upptäckas; fortfarande antyder en växande mängd övertygande bevis att dessa fenomen existerar. Men innan forskare kan hitta dem, kommer antagligen några långvariga idéer om hur de ser ut att behöva skrotas, tillade DeMille.
"Förväntningarna på nya partiklar ser mer och mer ut som om de hade haft fel", sade han.
Resultaten publicerades online idag (17 oktober) i tidskriften Nature.
