Электроны чрезвычайно круглые, и некоторые физики не довольны этим.
Исследователи сообщили в новом исследовании, что новый эксперимент захватил наиболее детальное представление об электронах на сегодняшний день с использованием лазеров для выявления частиц, окружающих частицы. Освещая молекулы, ученые смогли интерпретировать, как другие субатомные частицы изменяют распределение заряда электрона.
Симметричная округлость электронов предполагала, что невидимые частицы не достаточно велики для того, чтобы перекосить электроны в сжатые продолговатые формы или овалы. Эти результаты еще раз подтверждают давнюю физическую теорию, известную как Стандартная Модель, которая описывает, как ведут себя частицы и силы во вселенной.
В то же время это новое открытие может опровергнуть несколько альтернативных физических теорий, которые пытаются заполнить пробелы в явлениях, которые Стандартная Модель не может объяснить. По словам соавтора исследования Дэвида Де Милля, профессора кафедры физики Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, это отсылает некоторых, вероятно, очень недовольных физиков.
«Это, конечно, не сделает кого-то очень счастливым», - сказал DeMille Live Science.
Хорошо проверенная теория
Поскольку субатомные частицы еще не могут быть непосредственно обнаружены, ученые узнают об объектах через косвенные доказательства. Наблюдая за тем, что происходит в вакууме вокруг отрицательно заряженных электронов, которые, как считается, кишат облаками еще невидимых частиц, исследователи могут создавать модели поведения частиц, сказал Демилль.
Стандартная модель описывает большинство взаимодействий между всеми строительными блоками материи, а также силы, действующие на эти частицы. На протяжении десятилетий эта теория успешно предсказывала, как ведет себя материя.
Тем не менее, есть несколько ноющих исключений из объяснительного успеха модели. Стандартная Модель не объясняет темную материю, таинственную и невидимую субстанцию, которая оказывает гравитационное воздействие, но не излучает свет. И модель не учитывает гравитацию вместе с другими фундаментальными силами, которые влияют на материю, согласно Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН).
Теории альтернативной физики предлагают ответы там, где стандартная модель не дотягивает. Стандартная модель предсказывает, что частицы, окружающие электроны, действительно влияют на форму электрона, но в таком бесконечно малом масштабе, что их практически невозможно обнаружить с помощью существующей технологии. Но другие теории намекают на то, что есть еще не обнаруженные тяжелые частицы. Например, суперсимметричная стандартная модель утверждает, что каждая частица в стандартной модели имеет партнера по антивеществу. Авторы нового исследования утверждают, что эти гипотетические тяжелые частицы будут деформировать электроны до такой степени, которую исследователи смогут наблюдать.
Освещающие электроны
Чтобы проверить эти прогнозы, новые эксперименты изучали электроны с разрешением, в 10 раз превышающим предыдущие усилия, завершенные в 2014 году; Оба исследования проводились в рамках исследовательского проекта Advanced Electro-Electro Search Search (Motion Molelele Electron, Dipole Moment Search) с холодной молекулой (ACME).
Исследователи искали неуловимое (и недоказанное) явление, называемое электрическим дипольным моментом, в котором сферическая форма электрона кажется деформированной - «помятой на одном конце и выпуклой на другом», объяснил Демилль, - из-за тяжелых частиц, влияющих на заряд электрона.
Эти частицы будут «на много, много порядков больше», чем частицы, предсказанные Стандартной моделью, «поэтому это очень четкий способ определить, происходит ли что-то новое за пределами Стандартной модели», - сказал Демилль.
Для нового исследования исследователи ACME направили пучок холодных молекул оксида тория со скоростью 1 миллион за импульс 50 раз в секунду в относительно небольшую камеру в подвале Гарвардского университета. Ученые ударили молекулы лазерами и изучили свет, отраженный молекулами; изгибы света указывали бы на электрический дипольный момент.
Но в отраженном свете не было никаких изгибов, и этот результат бросает темную тень на физические теории, которые предсказывали тяжелые частицы вокруг электронов, говорят исследователи. Эти частицы могут все еще существовать, но они будут сильно отличаться от того, как они были описаны в существующих теориях, сказал Демилль в своем заявлении.
«Наш результат говорит научному сообществу, что мы должны серьезно переосмыслить некоторые альтернативные теории», - сказал Демилль.
Темные открытия
По словам Демилля, хотя этот эксперимент оценивал поведение частиц вокруг электронов, он также имеет важное значение для поиска темной материи. Как субатомные частицы, темная материя не может наблюдаться напрямую. Но астрофизики знают, что это там, потому что они наблюдали его гравитационное воздействие на звезды, планеты и свет.
«Как и мы, мы ищем в центре того, что многие теории предсказывали - в течение длительного времени и по очень веским причинам - должен появиться сигнал», - сказал Демилль. «И все же, они ничего не видят, и мы ничего не видим».
Как темная материя, так и новые субатомные частицы, которые не были предсказаны Стандартной моделью, еще не обнаружены; Тем не менее, растущее количество убедительных доказательств предполагает, что эти явления существуют. Но, прежде чем ученые смогут их найти, некоторые давние идеи о том, как они выглядят, вероятно, придется отказаться, добавил Демилль.
«Ожидания относительно новых частиц все больше и больше выглядят так, как будто они ошиблись», - сказал он.
Результаты были опубликованы онлайн (17 октября) в журнале Nature.
