La medición Muestra la Redondez Obstinada del Electrón

Los electrones son extremadamente redondos, y algunos físicos no están satisfechos con ello.

Un nuevo experimento capturó la vista más detallada de electrones hasta la fecha, utilizando láseres para revelar evidencia de partículas que rodean a las partículas, informaron los investigadores en un nuevo estudio. Al encender moléculas, los científicos fueron capaces de interpretar cómo otras partículas subatómicas alteran la distribución de la carga de un electrón.

La redondez simétrica de los electrones sugiere que las partículas invisibles no son lo suficientemente grandes como para sesgar los electrones en formas oblongas aplastadas u óvalos. Estos hallazgos confirman una vez más una teoría de la física de larga data, conocida como el Modelo Estándar, que describe cómo se comportan las partículas y las fuerzas en el universo.

Al mismo tiempo, este nuevo descubrimiento podría anular varias teorías de física alternativas que intentan llenar los espacios en blanco sobre fenómenos que el Modelo Estándar no puede explicar. Esto envía a algunos físicos probablemente muy descontentos de vuelta al tablero de dibujo, dijo el coautor del estudio David DeMille, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut.

«Ciertamente no va a hacer muy feliz a nadie», dijo DeMille a Live Science.

Una teoría bien probada

Debido a que las partículas subatómicas aún no se pueden observar directamente, los científicos aprenden sobre los objetos a través de evidencia indirecta. Al observar lo que sucede en el vacío alrededor de electrones cargados negativamente, que se cree que están llenos de nubes de partículas aún no vistas, los investigadores pueden crear modelos de comportamiento de partículas, dijo DeMille.

El Modelo Estándar describe la mayoría de las interacciones entre todos los bloques de construcción de la materia, así como las fuerzas que actúan sobre esas partículas. Durante décadas, esta teoría ha predicho con éxito cómo se comporta la materia.

Sin embargo, hay algunas excepciones persistentes al éxito explicativo del modelo. El Modelo Estándar no explica la materia oscura, una sustancia misteriosa e invisible que ejerce una atracción gravitacional, pero que no emite luz. Y el modelo no tiene en cuenta la gravedad junto con las otras fuerzas fundamentales que influyen en la materia, según la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

Las teorías de física alternativa ofrecen respuestas donde el Modelo Estándar se queda corto. El Modelo Estándar predice que las partículas que rodean a los electrones afectan la forma de un electrón, pero a una escala infinitesimal tal que son prácticamente indetectables usando la tecnología existente. Pero otras teorías sugieren que hay partículas pesadas aún no descubiertas. Por ejemplo, el Modelo Estándar Supersimétrico postula que cada partícula en el Modelo Estándar tiene un socio de antimateria. Esas hipotéticas partículas pesadas deformarían los electrones en un grado que los investigadores deberían poder observar, dijeron los autores del nuevo estudio.

Electrones iluminadores

Para probar esas predicciones, nuevos experimentos observaron electrones con una resolución 10 veces mayor que los esfuerzos anteriores, completados en 2014; ambas investigaciones fueron realizadas por el proyecto de investigación Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).

Los investigadores buscaron un fenómeno elusivo (y no probado) llamado momento dipolar eléctrico, en el que la forma esférica de un electrón aparece deformada,»abollada en un extremo y abultada en el otro», explicó DeMille, debido a las partículas pesadas que influyen en la carga del electrón.

Estas partículas serían » muchos, muchos órdenes de magnitud más grandes «que las partículas predichas por el Modelo Estándar,» por lo que es una forma muy clara de saber si algo nuevo está sucediendo más allá del Modelo Estándar», dijo DeMille.

Para el nuevo estudio, los investigadores de ACME dirigieron un haz de moléculas de óxido de torio frío a una velocidad de 1 millón por pulso, 50 veces por segundo, a una cámara relativamente pequeña en un sótano de la Universidad de Harvard. Los científicos conectaron las moléculas con láseres y estudiaron la luz reflejada por las moléculas; las curvas en la luz indicarían un momento dipolar eléctrico.

Pero no hubo giros en la luz reflejada, y este resultado arroja una sombra oscura sobre las teorías de la física que predecían partículas pesadas alrededor de los electrones, dijeron los investigadores. Esas partículas podrían seguir existiendo, pero serían muy diferentes de cómo se han descrito en las teorías existentes, dijo DeMille en un comunicado.

» Nuestro resultado le dice a la comunidad científica que necesitamos repensar seriamente algunas de las teorías alternativas», dijo DeMille.

Descubrimientos oscuros

Si bien este experimento evaluó el comportamiento de las partículas alrededor de los electrones, también proporciona implicaciones importantes para la búsqueda de materia oscura, dijo DeMille. Al igual que las partículas subatómicas, la materia oscura no se puede observar directamente. Pero los astrofísicos saben que está ahí, porque han observado su impacto gravitacional en estrellas, planetas y luz.

«Al igual que nosotros, estamos buscando en el corazón de donde muchas teorías han estado prediciendo, durante mucho tiempo y por muy buenas razones, que debería aparecer una señal», dijo DeMille. «Y sin embargo, ellos no están viendo nada, y nosotros no estamos viendo nada.»

Tanto la materia oscura como las nuevas partículas subatómicas que no fueron predichas por el Modelo Estándar aún no se han detectado directamente; aún así, un creciente cuerpo de evidencia convincente sugiere que estos fenómenos existen. Pero antes de que los científicos puedan encontrarlos, es probable que haya que desechar algunas ideas antiguas sobre cómo se ven, agregó DeMille.

«Las expectativas sobre las nuevas partículas parecen cada vez más equivocadas», dijo.

Los hallazgos se publicaron en línea hoy (Oct. 17) en la revista Nature.

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