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, usando i laser per rivelare l'evidenza di particelle che circondano le particelle, i ricercatori hanno riferito in un nuovo studio. Accendendo le molecole, gli scienziati sono stati in grado di interpretare come le 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. Queste scoperte confermano ancora una volta una teoria della fisica di lunga data, nota come Modello Standard, che descrive il comportamento delle particelle e delle forze nell'universo.
Allo stesso tempo, questa nuova scoperta potrebbe ribaltare diverse teorie della fisica alternativa che tentano di riempire gli spazi vuoti sui fenomeni che il Modello Standard non può spiegare. Questo rimanda 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 attorno a elettroni carichi negativamente - che si ritiene sciamano di nuvole di particelle non ancora viste - i ricercatori possono creare modelli di comportamento delle particelle, ha detto DeMille.
Il modello standard descrive la maggior parte delle interazioni tra tutti i mattoni della materia, nonché le forze che agiscono su quelle particelle. Per decenni, questa teoria ha predetto con successo come si comporta la materia.
Tuttavia, ci sono alcune eccezioni fastidiose 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 della fisica alternativa offrono risposte in cui il modello standard non è all'altezza. 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 non rilevabili utilizzando la tecnologia esistente. Ma altre teorie suggeriscono che ci sono particelle pesanti non ancora scoperte. Ad esempio, il modello standard supersimmetrico ipotizza che ogni particella nel modello standard abbia un partner antimateria. Quelle ipotetiche particelle dei pesi massimi deformerebbero gli elettroni a un livello che i ricercatori dovrebbero essere in grado di osservare, hanno affermato gli autori del nuovo studio.
Elettroni illuminanti
Per testare tali previsioni, nuovi esperimenti hanno scrutato gli elettroni con una risoluzione 10 volte maggiore rispetto agli sforzi precedenti, completata nel 2014; entrambe le ricerche 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 da un lato e gonfiata dall'altro", ha spiegato DeMille - a causa delle 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 sta succedendo qualcosa di nuovo oltre il Modello Standard", ha detto DeMille.
Per il nuovo studio, i ricercatori 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 alla 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 della fisica che prevedevano particelle pesanti attorno agli elettroni, i ricercatori hanno detto. 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 dobbiamo 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, stiamo guardando nel cuore di dove molte teorie hanno predetto - per lungo tempo e per ottime ragioni - dovrebbe apparire un segnale", ha detto DeMille. "Eppure non vedono nulla e non vediamo nulla."
Sia la materia oscura che le nuove particelle subatomiche non previste dal Modello standard devono ancora essere individuate direttamente; tuttavia, un numero crescente di prove convincenti suggerisce che questi fenomeni esistono. Ma prima che gli scienziati possano trovarli, probabilmente dovranno essere scartate alcune idee di lunga data sul loro aspetto, ha aggiunto DeMille.
"Le aspettative su nuove particelle sembrano sempre più come se fossero state sbagliate", ha detto.
I risultati sono stati pubblicati online oggi (17 ottobre) sulla rivista Nature.
