La misurazione Mostra la rotondità testarda dell’elettrone

Gli elettroni sono estremamente rotondi e alcuni fisici non ne sono contenti.

Un nuovo esperimento ha catturato la visione più dettagliata degli elettroni fino ad oggi, utilizzando i laser per rivelare prove di particelle che circondano le particelle, i ricercatori hanno riferito in un nuovo studio. Illuminando le molecole, gli scienziati sono stati in grado di interpretare come altre particelle subatomiche alterano la distribuzione della carica di un elettrone.

La rotondità simmetrica degli elettroni ha suggerito che le particelle invisibili non sono abbastanza grandi da inclinare gli elettroni in forme oblunghe schiacciate o ovali. Questi risultati confermano ancora una volta una teoria fisica di lunga data, nota come Modello Standard, che descrive come si comportano le particelle e le forze nell’universo.

Allo stesso tempo, questa nuova scoperta potrebbe rovesciare diverse teorie fisiche alternative che tentano di riempire gli spazi vuoti sui fenomeni che il Modello Standard non può spiegare. Questo manda alcuni fisici probabilmente molto scontenti al tavolo da disegno, ha detto il coautore dello studio David DeMille, professore presso il Dipartimento di Fisica della Yale University di New Haven, nel Connecticut.

“Certamente non renderà nessuno molto felice”, ha detto DeMille a Live Science.

Una teoria ben collaudata

Poiché le particelle subatomiche non possono ancora essere osservate direttamente, gli scienziati apprendono gli oggetti attraverso prove indirette. Osservando ciò che accade nel vuoto intorno elettroni caricati negativamente—pensato per essere brulicante di nuvole di particelle ancora invisibili-i ricercatori possono creare modelli di comportamento delle particelle, DeMille ha detto.

Il Modello Standard descrive la maggior parte delle interazioni tra tutti gli elementi costitutivi della materia, così come le forze che agiscono su quelle particelle. Per decenni, questa teoria ha predetto con successo come si comporta la materia.

Tuttavia, ci sono alcune fastidiose eccezioni al successo esplicativo del modello. Il Modello Standard non spiega la materia oscura, una sostanza misteriosa e invisibile che esercita un’attrazione gravitazionale, ma non emette luce. E il modello non tiene conto della gravità insieme alle altre forze fondamentali che influenzano la materia, secondo l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN).

Le teorie fisiche alternative offrono risposte in cui il modello standard è inferiore. Il modello standard prevede che le particelle che circondano gli elettroni influenzano la forma di un elettrone, ma a una scala così infinitesimale da essere praticamente inosservabile usando la tecnologia esistente. Ma altre teorie suggeriscono che ci sono particelle pesanti non ancora scoperte. Ad esempio, il modello standard supersimmetrico afferma che ogni particella nel modello standard ha un partner antimateria. Quelle ipotetiche particelle pesanti deformerebbero gli elettroni ad un grado che i ricercatori dovrebbero essere in grado di osservare, hanno detto gli autori del nuovo studio.

Illuminating electrons

Per testare queste previsioni, nuovi esperimenti hanno osservato gli elettroni con una risoluzione 10 volte maggiore rispetto agli sforzi precedenti, completati nel 2014; entrambe le indagini sono state condotte dal progetto di ricerca Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).

I ricercatori hanno cercato un fenomeno sfuggente (e non provato) chiamato momento di dipolo elettrico, in cui la forma sferica di un elettrone appare deformata—”ammaccata su un’estremità e rigonfiata sull’altra”, ha spiegato DeMille—a causa di particelle pesanti che influenzano la carica dell’elettrone.

Queste particelle sarebbero “molti, molti ordini di grandezza più grandi” delle particelle previste dal modello Standard, “quindi è un modo molto chiaro per dire se c’è qualcosa di nuovo che accade oltre il modello standard”, ha detto DeMille.

Per il nuovo studio, i ricercatori dell’ACME hanno diretto un fascio di molecole di ossido di torio freddo ad una velocità di 1 milione per impulso, 50 volte al secondo, in una camera relativamente piccola in un seminterrato dell’Università di Harvard. Gli scienziati hanno zappato le molecole con i laser e hanno studiato la luce riflessa dalle molecole; le curve nella luce indicherebbero un momento di dipolo elettrico.

Ma non ci sono stati colpi di scena nella luce riflessa, e questo risultato getta un’ombra scura sulle teorie fisiche che prevedevano particelle pesanti intorno agli elettroni, hanno detto i ricercatori. Quelle particelle potrebbero ancora esistere, ma sarebbero molto diverse da come sono state descritte nelle teorie esistenti, ha detto DeMille in una dichiarazione.

“Il nostro risultato dice alla comunità scientifica che abbiamo bisogno di ripensare seriamente alcune delle teorie alternative”, ha detto DeMille.

Scoperte oscure

Mentre questo esperimento ha valutato il comportamento delle particelle attorno agli elettroni, fornisce anche importanti implicazioni per la ricerca della materia oscura, ha detto DeMille. Come le particelle subatomiche, la materia oscura non può essere osservata direttamente. Ma gli astrofisici sanno che è lì, perché hanno osservato il suo impatto gravitazionale su stelle, pianeti e luce.

“Proprio come noi, stanno cercando nel cuore di dove molte teorie hanno predetto—per molto tempo e per ottime ragioni—un segnale dovrebbe apparire”, ha detto DeMille. “Eppure, loro non vedono nulla, e noi non vediamo nulla.”

Sia la materia oscura che le nuove particelle subatomiche che non erano previste dal Modello Standard devono ancora essere individuate direttamente; tuttavia, un crescente numero di prove convincenti suggerisce che questi fenomeni esistono. Ma prima che gli scienziati possano trovarli, alcune idee di lunga data su come appaiono dovranno probabilmente essere scartate, ha aggiunto DeMille.

“Le aspettative sulle nuove particelle sembrano sempre più sbagliate”, ha detto.

I risultati sono stati pubblicati online oggi (ott. 17) sulla rivista Nature.

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