Elektronid on äärmiselt ümmargused ja mõni füüsik pole selle üle rahul.
Uus eksperiment haaras kõige üksikasjalikuma ülevaate elektronidest, kasutades osakesi ümbritsevate osakeste kohta tõendusmaterjali abil lasereid, teatasid teadlased uues uuringus. Molekulide valgustamisel suutsid teadlased tõlgendada seda, kuidas teised subatomilised osakesed muudavad elektronide laengu jaotust.
Elektronide sümmeetriline ümarus näitas, et nähtamatud osakesed pole piisavalt suured, et elektronid viltuma pikitud kujuga ovaalseteks kujunditeks. Need leiud kinnitavad veel kord pikaajalist füüsikalist teooriat, tuntud kui standardmudel, mis kirjeldab, kuidas universumi osakesed ja jõud käituvad.
Samal ajal võib see uus avastus ümber lükata mitu alternatiivset füüsika teooriat, mis üritavad täita tühikuid nähtuste kohta, mida tavamudel ei suuda seletada. See saadab mõned ilmselt pettunud füüsikud tagasi joonestuslauale, ütles uuringu kaasautor David DeMille, Yale'i ülikooli füüsikaosakonna professor New Havenis, Connecticutis.
"See ei tee kindlasti kedagi väga õnnelikuks," rääkis DeMille Live Science'ile.
Hästi testitud teooria
Kuna subatomaalseid osakesi ei saa veel otseselt jälgida, õpivad teadlased objekte tundma kaudsete tõendite kaudu. Vaadates, mis toimub vaakumis negatiivselt laetud elektronide ümber - arvatakse, et need kubisevad veel nägemata osakeste pilvedest - saavad teadlased luua osakeste käitumise mudeleid, ütles DeMille.
Standardmudel kirjeldab enamikku aine kõigi ehitusplokkide ja nende osakeste vahel tegutsevate jõudude vastastikmõjudest. See teooria on aastakümnete jooksul edukalt ennustanud, kuidas mateeria käitub.
Kuid mudeli selgitavas edus on ka mõned kohutavad erandid. Standardmudel ei selgita tumedat ainet, salapärast ja nähtamatut ainet, mis tõmbab gravitatsiooni, kuid ei kiirga samas valgust. Ja Euroopa tuumauuringute organisatsiooni (CERN) andmetel ei arvesta mudel gravitatsiooni teiste mateeria mõjutavate põhijõudude kõrval.
Alternatiivsed füüsikateooriad pakuvad vastuseid juhul, kui standardmudel jääb alla. Standardmudel ennustab, et elektrone ümbritsevad osakesed mõjutavad küll elektroni kuju, kuid sellisel lõpmatu ulatusega, et olemasoleva tehnoloogia abil on see peaaegu tuvastamatu. Kuid muud teooriad vihjavad, et on veel avastamata raskeid osakesi. Näiteks supersümmeetriline standardmudel eeldab, et standardmudeli igal osakesel on antimateriaalne partner. Need hüpoteetilised raskekaalulised osakesed deformeerivad elektrone määral, mida teadlastel peaks olema võimalik jälgida, ütlesid uue uuringu autorid.
Valgusavad elektronid
Nende ennustuste kontrollimiseks peeti 2014. aastal valminud uusi katseid, mille elektronide eraldusvõime oli 10 korda suurem kui varasematel jõupingutustel; mõlemad uuringud viidi läbi uurimisprojekti Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME) abil.
Teadlased otsisid väljapääsmatut (ja tõestamata) nähtust, mida nimetatakse elektriliseks dipoolmomendiks, milles elektroni sfääriline kuju näib olevat deformeerunud - "on mõlemas otsas mõra ja teisal mõlgid", selgitas DeMille - elektroni laengut mõjutavate raskete osakeste tõttu.
Need osakesed oleksid "palju, palju suurusjärku suuremad" kui standardses mudelis ennustatud osakesed, "nii et see on väga selge viis teada saada, kas tavamudelist kaugemal juhtub midagi uut", ütles DeMille.
Uue uuringu jaoks suunasid ACME teadlased külmade tooriumoksiidi molekulide kiirgust kiirusega 1 miljon impulsi kohta, 50 korda sekundis, suhteliselt väikesesse kambrisse keldris Harvardi ülikoolis. Teadlased pakkisid molekulid laseritega üle ja uurisid molekulide tagasi peegelduvat valgust; kurvituled valguses osutavad elektrilisele dipoolmomendile.
Kuid peegeldunud valguses ei olnud mingeid keerdumisi ja see tulemus heidab tumeda varju füüsikateooriatele, mis ennustasid elektronide ümber raskeid osakesi, ütlesid teadlased. Need osakesed võivad veel eksisteerida, kuid need erinevad väga erinevalt sellest, kuidas neid olemasolevates teooriates kirjeldatakse, ütles DeMille oma avalduses.
"Meie tulemus ütleb teadusringkondadele, et peame mõne alternatiivse teooria tõsiselt läbi mõtlema," sõnas DeMille.
Tumedad avastused
Kuigi see katse hindas osakeste käitumist elektronide ümber, pakub see olulist mõju ka tumeda aine otsimisele, ütles DeMille. Nagu subatomaatilisi osakesi, ei saa ka tumedat ainet otseselt jälgida. Kuid astrofüüsikud teavad, et see on olemas, kuna nad on täheldanud selle gravitatsioonilist mõju tähtedele, planeetidele ja valgusele.
"Sarnaselt meiega vaadatakse südames seda, kus paljud teooriad on ennustanud - pikka aega ja väga mõjuvatel põhjustel - peaks ilmuma signaal," ütles DeMille. "Ja veel, nad ei näe midagi ja me ei näe midagi."
Nii tumedat ainet kui ka uusi subatomaatilisi osakesi, mida standardmudel ei ennustanud, tuleb veel otse märgata; siiski viitab üha enam kaalukaid tõendeid nende nähtuste olemasolule. Kuid enne, kui teadlased neid leiavad, tuleb ilmselt lammutada mõned pikaajalised ideed selle kohta, millised need välja näevad, lisas DeMille.
"Ootused uute osakeste järele näevad üha enam välja sellised, nagu nad oleksid eksinud," sõnas ta.
Tulemused avaldati veebis täna (17. oktoober) ajakirjas Nature.
