Gli elettroni sono assolutamente rotondi e alcuni fisici non sono contenti di questo.
Il nuovo esperimento ha catturato le immagini più dettagliate degli elettroni fino ad oggi. Gli scienziati hanno utilizzato i laser per rilevare le prove di particelle che circondano le particelle. Illuminando le molecole, i ricercatori sono stati in grado di capire come le particelle subatomiche alterano la distribuzione della carica di un elettrone.
La forma circolare simmetrica degli elettroni suggerisce che le particelle invisibili non sono abbastanza grandi da cambiare la forma degli elettroni in ovale. I risultati dello studio riaffermano una vecchia teoria fisica nota come Modello Standard, che descrive come si comportano le particelle e le forze nell'universo.
E allo stesso tempo, la nuova scoperta potrebbe trasformare diverse teorie di fisica alternativa che cercano di trovare informazioni mancanti su fenomeni che il Modello Standard non è in grado di spiegare.
Poiché le particelle subatomiche non possono essere osservate direttamente, gli scienziati le apprendono attraverso prove circostanziali. Osservando ciò che accade nel vuoto intorno agli elettroni caricati negativamente che si ritiene siano circondati da nuvole di particelle ancora invisibili, i ricercatori possono creare modelli per il comportamento dei subatomi.
Il modello standard descrive le interazioni tra tutti gli elementi costitutivi della materia, nonché le forze che agiscono sulle particelle subatomiche. Per decenni, questa teoria ha predetto con successo come si comporterà la materia.
Tuttavia, ci sono diversi punti che il modello non è in grado di spiegare. Ad esempio, la materia oscura, una sostanza misteriosa e invisibile che è capace di attrazione gravitazionale, ma non emette luce. Inoltre, il modello non spiega la gravità, così come altre forze fondamentali che influenzano la materia.
Le teorie fisiche alternative offrono risposte laddove il modello standard fallisce. Il modello standard prevede che le particelle che circondano un elettrone influenzino la sua forma, ma su una scala così infinitesimale che è quasi impossibile rilevarlo utilizzando la tecnologia esistente.
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Ma altre teorie dicono che ci sono ancora particelle pesanti non rivelate. Ad esempio, il modello standard supersimmetrico afferma che ogni particella nel modello standard ha un partner di antimateria. Queste ipotetiche particelle pesanti possono deformare gli elettroni al punto che i ricercatori possono vedere. Per testare queste previsioni, il nuovo esperimento ha esaminato gli elettroni a una risoluzione 10 volte superiore a un precedente tentativo nel 2014.
I ricercatori stavano cercando un fenomeno sfuggente e non dimostrato chiamato momento di dipolo elettrico, in cui la forma sferica di un elettrone sembra essere deformata - "schiacciata a un'estremità e convessa all'altra", spiega DeMille. Questa forma dovrebbe essere una conseguenza dell'influenza delle particelle pesanti sulla carica dell'elettrone.
Queste particelle sarebbero "molti, molti ordini di grandezza più forti" delle particelle previste dal Modello Standard, quindi sarebbe "un modo convincente per dimostrare se qualcosa sta accadendo al di fuori delle spiegazioni del Modello Standard", dice DeMille.
Per il nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato fasci di molecole di ossido di torio freddo a una velocità di 1 milione per impulso 50 volte al secondo in una camera relativamente piccola nel seminterrato dell'Università di Harvard. Gli scienziati hanno sparato laser alle molecole e hanno studiato come la luce sarebbe stata riflessa da esse; la rifrazione alla luce indicherebbe un momento di dipolo elettrico.
Ma non c'era distorsione nella luce riflessa, e questo risultato mette in dubbio le teorie fisiche che prevedono particelle pesanti che sciamano intorno agli elettroni. Queste particelle possono esistere, ma è probabile che differiscano da quanto descritto nelle teorie esistenti.
"Il nostro risultato dice alla comunità scientifica di ripensare seriamente alle teorie alternative", afferma DeMille.
Sebbene l'esperimento abbia valutato il comportamento delle particelle intorno agli elettroni, ha anche fornito importanti spunti per la ricerca della materia oscura. Come le particelle subatomiche, la materia oscura non può essere osservata direttamente. Ma gli astrofisici sanno che esiste perché hanno osservato la sua influenza gravitazionale su stelle, pianeti e luce.
"Proprio come noi, gli astrofisici guardano dove molte teorie hanno previsto un segnale", dice DeMille. "E mentre loro non vedono niente, e noi non vediamo niente."
Sia la materia oscura che le nuove particelle subatomiche che il Modello Standard non prevedeva restano da vedere direttamente; tuttavia un numero crescente di prove conclusive suggerisce che questi fenomeni esistono. Ma prima che gli scienziati li trovino, probabilmente vale la pena scartare alcune vecchie teorie.
"Le previsioni sull'aspetto delle particelle subatomiche sembrano sempre più poco plausibili", afferma DeMille.
