Messung zeigt die hartnäckige Rundheit des Elektrons

Elektronen sind extrem rund, und einige Physiker sind darüber nicht erfreut.

Ein neues Experiment erfasste die bisher detaillierteste Ansicht von Elektronen und verwendete Laser, um Hinweise auf Partikel zu finden, die die Partikel umgeben, berichteten Forscher in einer neuen Studie. Durch das Aufleuchten von Molekülen konnten die Wissenschaftler interpretieren, wie andere subatomare Teilchen die Verteilung der Ladung eines Elektrons verändern.

Die symmetrische Rundheit der Elektronen deutete darauf hin, dass unsichtbare Teilchen nicht groß genug sind, um Elektronen in gequetschte längliche Formen oder Ovale zu verzerren. Diese Ergebnisse bestätigen einmal mehr eine langjährige physikalische Theorie, das sogenannte Standardmodell, das beschreibt, wie sich Teilchen und Kräfte im Universum verhalten.

Gleichzeitig könnte diese neue Entdeckung mehrere alternative physikalische Theorien auf den Kopf stellen, die versuchen, die Lücken über Phänomene zu füllen, die das Standardmodell nicht erklären kann. Dies schickt einige wahrscheinlich sehr verärgerte Physiker zurück an das Zeichenbrett, sagte Co-Autor David DeMille, Professor am Department of Physics der Yale University in New Haven, Connecticut.

„Es wird sicherlich niemanden sehr glücklich machen“, sagte DeMille zu Live Science.

Eine bewährte Theorie

Da subatomare Teilchen noch nicht direkt beobachtet werden können, lernen Wissenschaftler die Objekte durch indirekte Beweise kennen. Durch die Beobachtung, was im Vakuum um negativ geladene Elektronen herum geschieht – von denen angenommen wird, dass sie mit Wolken von noch unsichtbaren Partikeln schwärmen – können Forscher Modelle des Partikelverhaltens erstellen, sagte DeMille.

Das Standardmodell beschreibt die meisten Wechselwirkungen zwischen allen Bausteinen der Materie sowie die Kräfte, die auf diese Teilchen einwirken. Seit Jahrzehnten hat diese Theorie erfolgreich vorhergesagt, wie sich Materie verhält.

Es gibt jedoch einige quälende Ausnahmen vom erklärenden Erfolg des Modells. Das Standardmodell erklärt nicht die dunkle Materie, eine mysteriöse und unsichtbare Substanz, die eine Anziehungskraft ausübt, aber kein Licht emittiert. Und das Modell berücksichtigt nicht die Schwerkraft neben den anderen fundamentalen Kräften, die die Materie beeinflussen, so die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN).

Alternative Physiktheorien bieten Antworten, wo das Standardmodell zu kurz kommt. Das Standardmodell sagt voraus, dass Teilchen, die Elektronen umgeben, die Form eines Elektrons beeinflussen, aber auf einer so infinitesimalen Skala, dass sie mit der vorhandenen Technologie so gut wie nicht nachweisbar sind. Andere Theorien deuten jedoch darauf hin, dass es noch unentdeckte schwere Teilchen gibt. Zum Beispiel postuliert das supersymmetrische Standardmodell, dass jedes Teilchen im Standardmodell einen Antimaterie-Partner hat. Diese hypothetischen Schwergewichtspartikel würden Elektronen in einem Ausmaß verformen, das Forscher beobachten könnten, sagten die Autoren der neuen Studie.

Elektronen beleuchten

Um diese Vorhersagen zu testen, spähten neue Experimente auf Elektronen mit einer Auflösung, die 10-mal größer war als frühere Bemühungen, die 2014 abgeschlossen wurden; beide Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME) durchgeführt.

Die Forscher suchten ein schwer fassbares (und unbewiesenes) Phänomen namens elektrisches Dipolmoment, bei dem die Kugelform eines Elektrons deformiert erscheint — „an einem Ende verbeult und am anderen gewölbt“, erklärte DeMille — wegen schwerer Teilchen, die die Ladung des Elektrons beeinflussen.

Diese Teilchen wären „viele, viele Größenordnungen größer“ als die vom Standardmodell vorhergesagten Teilchen, „also ist es ein sehr klarer Weg zu sagen, ob etwas Neues jenseits des Standardmodells passiert“, sagte DeMille.

Für die neue Studie richteten ACME-Forscher einen Strahl kalter Thoriumoxid-Moleküle mit einer Geschwindigkeit von 1 Million pro Puls, 50 Mal pro Sekunde, in eine relativ kleine Kammer in einem Keller der Harvard University. Die Wissenschaftler zappten die Moleküle mit Lasern und untersuchten das von den Molekülen reflektierte Licht; Biegungen im Licht würden auf ein elektrisches Dipolmoment hinweisen.

Aber es gab keine Verdrehungen im reflektierten Licht, und dieses Ergebnis wirft einen dunklen Schatten auf die physikalischen Theorien, die schwere Teilchen um Elektronen vorhergesagt haben, sagten die Forscher. Diese Teilchen könnten noch existieren, aber sie würden sich sehr von der Beschreibung in bestehenden Theorien unterscheiden, sagte DeMille in einer Erklärung.

„Unser Ergebnis sagt der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass wir einige der alternativen Theorien ernsthaft überdenken müssen“, sagte DeMille.

Dunkle Materie

Während dieses Experiment das Teilchenverhalten um Elektronen herum untersuchte, liefert es auch wichtige Implikationen für die Suche nach dunkler Materie, sagte DeMille. Wie subatomare Teilchen kann dunkle Materie nicht direkt beobachtet werden. Aber Astrophysiker wissen, dass es da ist, weil sie seine Gravitationswirkung auf Sterne, Planeten und Licht beobachtet haben.

„Ähnlich wie wir, suchen Sie im Herzen, wo viele Theorien vorhergesagt haben — für eine lange Zeit und aus sehr guten Gründen — ein Signal sollte erscheinen“, sagte DeMille. „Und doch sehen sie nichts, und wir sehen nichts.“

Sowohl dunkle Materie als auch neue subatomare Teilchen, die vom Standardmodell nicht vorhergesagt wurden, müssen noch direkt entdeckt werden; dennoch deutet eine wachsende Zahl überzeugender Beweise darauf hin, dass diese Phänomene existieren. Aber bevor Wissenschaftler sie finden können, müssen einige langjährige Ideen darüber, wie sie aussehen, wahrscheinlich verschrottet werden, fügte DeMille hinzu.

„Die Erwartungen an neue Teilchen sehen immer mehr so aus, als wären sie falsch gewesen“, sagte er.

Die Ergebnisse wurden heute online veröffentlicht (Okt. 17) in der Zeitschrift Nature.

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