Elektrony jsou extrémně kulaté a někteří fyzici z toho nemají radost.
Nový experiment zachytil dosud nejpodrobnější pohled na elektrony pomocí laserů k odhalení důkazů o částicích obklopujících částice, uvedli vědci v nové studii. Osvětlováním molekul dokázali vědci interpretovat, jak jiné subatomické částice mění distribuci náboje elektronů.
Symetrická zaoblenost elektronů naznačovala, že neviditelné částice nejsou dostatečně velké, aby skryly elektrony do roztříštěných podlouhlých tvarů nebo oválů. Tato zjištění znovu potvrzují dlouhodobou fyzikální teorii známou jako standardní model, která popisuje, jak se částice a síly ve vesmíru chovají.
Současně by tento nový objev mohl převrátit několik alternativních teorií fyziky, které se pokoušejí vyplnit mezery o jevech, které standardní model nedokáže vysvětlit. To posílá některé pravděpodobně velmi nespokojené fyziky zpět na rýsovací prkno, uvedl spoluautor studie David DeMille, profesor katedry fyziky na Yale University v New Haven, Connecticut.
„Určitě to nikoho nešťastí,“ řekla DeMille Live Science.
Osvědčená teorie
Protože subatomické částice zatím nelze přímo pozorovat, vědci se o objektech dozvědí prostřednictvím nepřímých důkazů. Sledováním toho, co se děje ve vakuu kolem negativně nabitých elektronů - o nichž se předpokládá, že se rojí mraky dosud neviděných částic - mohou vědci vytvořit modely chování částic, uvedla DeMille.
Standardní model popisuje většinu interakcí mezi všemi stavebními bloky hmoty a také síly, které na tyto částice působí. Po celá desetiletí tato teorie úspěšně předpovídala, jak se hmota chová.
Existuje však několik nepříjemných výjimek z vysvětlujícího úspěchu modelu. Standardní model nevysvětluje temnou hmotu, tajemnou a neviditelnou látku, která působí gravitačním tahem, ale nevyzařuje žádné světlo. Podle Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) tento model nezohledňuje gravitaci spolu s dalšími základními silami, které ovlivňují hmotu.
Alternativní teorie fyziky nabízejí odpovědi tam, kde standardní model zaostává. Standardní model předpovídá, že částice obklopující elektrony ovlivňují tvar elektronů, ale v takovém nekonečně velkém měřítku, že je pomocí stávající technologie do značné míry nedetekovatelné. Ale jiné teorie naznačují, že existují dosud neobjevené těžké částice. Například supersymetrický standardní model předpokládá, že každá částice ve standardním modelu má partnera antihmoty. Tyto hypotetické částice o těžké váze by deformovaly elektrony do té míry, kterou by vědci měli být schopni pozorovat, uvedli autoři nové studie.
Osvětlovací elektrony
Aby bylo možné tyto předpovědi otestovat, nové experimenty hleděly na elektrony v rozlišení 10krát větším než předchozí úsilí, které bylo dokončeno v roce 2014; obě výzkumy byly provedeny výzkumným projektem Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Vědci hledali nepolapitelný (a neprokázaný) jev nazývaný elektrický dipólový moment, ve kterém se elektronový sférický tvar objevuje zdeformovaný - „prolomený na jednom konci a vypouklý na druhém,“ vysvětlila DeMille - kvůli těžkým částicím ovlivňujícím náboj elektronů.
Tyto částice by byly „o mnoho, mnoho řádů větší“, než částice předpovídané standardním modelem, „takže je to velmi jasný způsob, jak zjistit, zda se za standardním modelem děje něco nového,“ řekl DeMille.
Pro novou studii nasměrovali vědci ACME paprsek studených molekul oxidu thoria v množství 1 milion na puls, 50krát za sekundu, do relativně malé komory v suterénu na Harvardské univerzitě. Vědci zapnul molekuly pomocí laserů a studoval světlo odrazené zpět molekulami; ohyby ve světle by ukazovaly na elektrický dipólový okamžik.
V odraženém světle však nedošlo k žádnému zvratu a tento výsledek vrhá temný stín na fyzikální teorie, které předpovídaly těžké částice kolem elektronů, uvedli vědci. Tyto částice by mohly stále existovat, ale byly by velmi odlišné od toho, jak byly popsány ve stávajících teoriích, uvedla DeMille ve svém prohlášení.
"Náš výsledek říká vědecké komunitě, že musíme vážně přehodnotit některé z alternativních teorií," řekla DeMille.
Temné objevy
Zatímco tento experiment hodnotil chování částic kolem elektronů, poskytuje také důležité důsledky pro hledání temné hmoty, uvedl DeMille. Stejně jako subatomické částice nelze tmavou hmotu přímo pozorovat. Ale astrofyzici vědí, že je tam, protože pozorovali jeho gravitační dopad na hvězdy, planety a světlo.
"Stejně jako my, hledáme v srdci, kde mnoho teorií předpovídalo - po dlouhou dobu a ze velmi dobrých důvodů - by se měl objevit signál," řekla DeMille. "A přesto nic nevidí a nic nevidíme."
Temná hmota i nové subatomické částice, které nebyly předpovídány standardním modelem, musí být ještě přímo spatřeny; stále rostoucí počet přesvědčivých důkazů naznačuje, že tyto jevy existují. Ale dříve, než je vědci najdou, bude pravděpodobně nutné zrušit některé dlouhodobé představy o tom, jak vypadají, dodala DeMille.
„Očekávání ohledně nových částic vypadají stále více, jako by se mýlili,“ řekl.
Výsledky byly zveřejněny online dnes (17. října) v časopise Nature.
