Elektronit ovat ehdottomasti pyöreitä, ja jotkut fyysikot ovat tyytymättömiä tähän.
Uusi koe otti tähän mennessä yksityiskohtaisimmat kuvat elektronista. Tutkijat ovat käyttäneet lasereita havaitsemaan hiukkasia ympäröivät hiukkaset. Valaisemalla molekyylejä tutkijat pystyivät ymmärtämään, kuinka subatomiset hiukkaset muuttavat elektronin varauksen jakautumista.
Elektronien symmetrinen pyöreä muoto viittaa siihen, että näkymättömät partikkelit eivät ole riittävän suuria muuttamaan elektroneiden muoto soikeiksi. Tutkimuksen tulokset vahvistivat vanhan fyysisen teorian, jota kutsutaan standardimalliksi, joka kuvaa kuinka maailmankaikkeuden hiukkaset ja voimat käyttäytyvät.
Ja samaan aikaan uusi löytö voi kääntää useita vaihtoehtoisen fysiikan teorioita, jotka yrittävät löytää puuttuvaa tietoa ilmiöistä, joita standardimalli ei pysty selittämään.
Koska subatomisia hiukkasia ei voida havaita suoraan, tutkijat oppivat niistä epäsuoran näytön avulla. Tarkkailemalla mitä tapahtuu tyhjiössä negatiivisesti varautuneiden elektronien ympärillä, joiden uskotaan olevan vielä näkymättömien hiukkasten pilvien ympäröimä, tutkijat voivat luoda malleja alaatomien käyttäytymiselle.
Vakiomalli kuvaa kaikkien aineen rakennuspalikoiden vuorovaikutusta samoin kuin alaatomisiin hiukkasiin vaikuttavat voimat. Vuosikymmenien ajan tämä teoria on onnistuneesti ennustanut, kuinka aine käyttäytyy.
On kuitenkin useita seikkoja, joita malli ei pysty selittämään. Esimerkiksi tumma aine, salaperäinen ja näkymätön aine, joka kykenee vetovoimaan, mutta ei säteile valoa. Malli ei myöskään selitä painovoimaa, samoin kuin muita aineeseen vaikuttavia perustavoimia.
Vaihtoehtoiset fysiikan teoriat tarjoavat vastauksia tapauksiin, joissa standardimalli epäonnistuu. Vakiomalli ennustaa, että elektronin ympäröivät hiukkaset vaikuttavat sen muotoon, mutta niin äärettömässä mittakaavassa, että sitä on lähes mahdotonta havaita olemassa olevalla tekniikalla.
Mainosvideo:
Mutta muut teoriat sanovat, että edelleen on olemassa paljastamattomia raskaita hiukkasia. Esimerkiksi supersymmetrinen vakiomalli toteaa, että jokaisessa standardimallin hiukkasella on antimateria partneri. Nämä hypoteettiset raskaat hiukkaset voivat deformoida elektroneja pisteeseen, jonka tutkijat voivat nähdä. Näiden ennusteiden testaamiseksi tutkijat tarkastelivat uudessa kokeessa elektroneja, joiden resoluutio oli 10 kertaa suurempi kuin edellisessä yrityksessä vuonna 2014.
Tutkijat etsivät vaikeita ja todistamattomia ilmiöitä, nimeltään sähköinen dipolimomentti, joissa elektronin pallomainen muoto näyttää olevan muodonmuutos -”murskattu toisessa päässä ja kupera toisessa”, DeMille selittää. Tämän muodon tulisi olla seuraus raskaiden hiukkasten vaikutuksesta elektronivaraukseen.
Nämä hiukkaset olisivat”monta, useita suuruusluokkaa vahvempia” kuin vakiomallin ennustamat hiukkaset, joten se olisi “pakottava tapa todistaa, tapahtuuko jotain standardimallin selitysten ulkopuolella”, DeMille sanoo.
Uuteen tutkimukseen tutkijat käyttivät kylmien toriumoksidimolekyylien palkkeja nopeudella 1 miljoona pulssia kohti 50 kertaa sekunnissa suhteellisen pienessä kammiossa Harvardin yliopiston kellarissa. Tutkijat ampuivat lasereita molekyyleihin ja tutkivat kuinka valo heijastuisi niistä; valon taittuminen osoittaisi sähköisen dipolimomentin.
Mutta heijastuneessa valossa ei ollut vääristymiä, ja tämä tulos asettaa kyseenalaiseksi fyysiset teoriat, jotka ennustavat elektronien ympärillä parvien raskaita hiukkasia. Nämä hiukkaset voivat olla olemassa, mutta todennäköisesti eroavat siitä, mitä kuvataan nykyisissä teorioissa.
"Tuloksemme kehottaa tiedeyhteisöä ajattelemaan vakavasti vaihtoehtoisia teorioita", DeMille sanoo.
Kokeessa arvioitiin hiukkasten käyttäytymistä elektronien ympärillä, mutta se antoi myös tärkeitä oivalluksia tumman aineen etsinnälle. Kuten subatomiset hiukkaset, tummaa ainetta ei voida havaita suoraan. Mutta astrofysiikit tietävät sen olevan olemassa, koska he ovat havainneet sen painovoiman vaikutuksen tähtiihin, planeetoihin ja valoon.
"Aivan kuten me, astrofysiikit katsovat kohti sitä, missä monet teoriat ovat ennustaneet signaalin", DeMille sanoo. "Ja vaikka he eivät näe mitään, emmekä näe mitään."
Sekä tumma aine että uudet alaatomiset hiukkaset, joita standardimalli ei ennustanut, ovat edelleen nähtävissä; silti kasvava joukko vakuuttavia todisteita viittaa näiden ilmiöiden olemassaoloon. Mutta ennen kuin tutkijat löytävät ne, on todennäköisesti syytä hylätä joitain vanhoja teorioita.
"Ennusteet siitä, miltä subatomiset hiukkaset näyttävät, näyttävät yhä epätodennäköisiltä", DeMille sanoo.