måling viser elektronens stædige rundhed

elektroner er ekstremt runde, og nogle fysikere er ikke tilfredse med det.

et nyt eksperiment fangede den mest detaljerede visning af elektroner til dato ved hjælp af lasere til at afsløre tegn på partikler omkring partiklerne, rapporterede forskere i en ny undersøgelse. Ved at oplyse 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 skæve elektroner i knuste aflange former eller ovaler. Disse fund bekræfter endnu en gang en langvarig fysikteori, kendt som standardmodellen, der beskriver, hvordan partikler og kræfter i universet opfører sig.

samtidig kunne denne nye opdagelse vælte flere alternative fysikteorier, der forsøger at udfylde emnerne om fænomener, som standardmodellen ikke kan forklare. Dette sender nogle sandsynligvis meget utilfredse fysikere tilbage til tegnebrættet, sagde studieforfatter David DeMille, professor ved Institut for Fysik ved Yale University i ny havn, Connecticut.

“det vil bestemt ikke gøre nogen meget glade,” fortalte DeMille .

en velafprøvet teori

fordi subatomære partikler endnu ikke kan observeres direkte, lærer forskere om objekterne gennem indirekte beviser. Ved at observere, hvad der sker i vakuumet omkring negativt ladede elektroner—menes at sværme med skyer af endnu usete partikler-kan forskere skabe modeller for partikeladfærd, sagde DeMille.

standardmodellen beskriver de fleste interaktioner mellem alle materiens byggesten såvel som de kræfter, der virker på disse partikler. I årtier har denne teori med succes forudsagt, hvordan materie opfører sig.

der er dog et par nagende undtagelser fra modellens forklarende succes. Standardmodellen forklarer ikke mørkt stof, et mystisk og usynligt stof, der udøver en tyngdekraft, men alligevel udsender intet lys. Og modellen tager ikke højde for tyngdekraften sammen med de andre grundlæggende kræfter, der påvirker sagen, 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 stort set ikke kan påvises ved hjælp af eksisterende teknologi. Men andre teorier antyder, at der endnu ikke er opdaget tunge partikler. For eksempel hævder den supersymmetriske standardmodel, at hver partikel i standardmodellen har en antimatterpartner. Disse hypotetiske tungvægtspartikler ville deformere elektroner i en grad, som forskere skulle kunne observere, sagde forfatterne af den nye undersøgelse.

lysende elektroner

for at teste disse forudsigelser kiggede nye eksperimenter på elektroner i en opløsning, der var 10 gange større end tidligere bestræbelser, afsluttet i 2014; begge undersøgelser blev udført af forskningsprojektet Advanced Cold Molecule Electron Electric dipole Moment Search (ACME).

forskerne søgte et undvigende (og uprøvet) fænomen kaldet det elektriske dipolmoment, hvor en elektrons sfæriske form forekommer deformeret—”bulet i den ene ende og bulet 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.

til den nye undersøgelse dirigerede ACME-forskere en stråle af kolde thorium-oksidmolekyler 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 slog molekylerne med lasere og studerede det lys, der reflekteres tilbage af molekylerne; bøjninger i lyset ville pege på et elektrisk dipolmoment.

men der var ingen vendinger i det reflekterede lys, og dette resultat kaster en mørk skygge over de fysikteorier, der forudsagde tunge partikler omkring elektroner, sagde forskerne. Disse partikler kan stadig eksistere, men de ville være meget forskellige fra, hvordan de er blevet beskrevet i eksisterende teorier, sagde DeMille i en erklæring.

“vores resultat fortæller det videnskabelige samfund, at vi er nødt til alvorligt at genoverveje nogle af de alternative teorier,” sagde DeMille.

mørke opdagelser

mens dette eksperiment evaluerede partikeladfærd omkring elektroner, giver det også vigtige konsekvenser for søgningen efter mørkt stof, sagde DeMille. Ligesom 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 ser vi i hjertet af, hvor mange teorier har forudsagt—i lang tid og af meget gode grunde—et signal skal vises,” sagde DeMille. “Og alligevel ser de ikke noget, og vi ser ikke noget.”

både mørkt stof og nye subatomære partikler, der ikke blev forudsagt af standardmodellen, skal endnu ikke ses direkte; stadig tyder en voksende mængde overbevisende beviser på, at disse fænomener eksisterer. Men før forskere kan finde dem, vil nogle langvarige ideer om, hvordan de ser ud, sandsynligvis blive skrottet, tilføjede DeMille.

“forventningerne til nye partikler ser mere og mere ud som om de havde taget fejl,” sagde han.

resultaterne blev offentliggjort online i dag (okt. 17) i tidsskriftet Nature.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.