Elektronen zijn extreem rond en sommige natuurkundigen zijn er niet blij mee.
Een nieuw experiment legde de meest gedetailleerde weergave van elektronen tot nu toe vast, met behulp van lasers om bewijs van deeltjes rond de deeltjes te onthullen, rapporteerden onderzoekers in een nieuwe studie. Door moleculen op te lichten, konden de wetenschappers interpreteren hoe andere subatomaire deeltjes de verdeling van de lading van een elektron veranderen.
De symmetrische ronding van de elektronen suggereerde dat onzichtbare deeltjes niet groot genoeg zijn om elektronen in platgedrukte langwerpige vormen of ovalen te laten scheeftrekken. Deze bevindingen bevestigen opnieuw een al lang bestaande natuurkundetheorie, bekend als het standaardmodel, die beschrijft hoe deeltjes en krachten in het universum zich gedragen.
Tegelijkertijd zou deze nieuwe ontdekking verschillende alternatieve natuurkundetheorieën kunnen omverwerpen die proberen de lege plekken in te vullen over verschijnselen die het standaardmodel niet kan verklaren. Dit stuurt een aantal waarschijnlijk zeer ontevreden natuurkundigen terug naar de tekentafel, zei co-auteur David DeMille, een professor bij de afdeling Natuurkunde aan de Yale University in New Haven, Connecticut.
"Het zal zeker niemand erg gelukkig maken", vertelde DeMille aan WordsSideKick.com.
Een goed geteste theorie
Omdat subatomaire deeltjes nog niet direct kunnen worden waargenomen, leren wetenschappers over de objecten door indirect bewijs. Door te observeren wat er gebeurt in het vacuüm rond negatief geladen elektronen - waarvan wordt gedacht dat ze wemelen van wolken van nog niet eerder geziene deeltjes - kunnen onderzoekers modellen maken van deeltjesgedrag, zei DeMille.
Het standaardmodel beschrijft de meeste interacties tussen alle bouwstenen van de materie, evenals de krachten die op die deeltjes inwerken. Al tientallen jaren voorspelt deze theorie met succes hoe materie zich gedraagt.
Er zijn echter enkele knagende uitzonderingen op het verklarende succes van het model. Het standaardmodel verklaart geen donkere materie, een mysterieuze en onzichtbare substantie die een zwaartekracht uitoefent, maar geen licht afgeeft. En het model houdt geen rekening met de zwaartekracht naast de andere fundamentele krachten die materie beïnvloeden, volgens de European Organization for Nuclear Research (CERN).
Alternatieve natuurkundetheorieën bieden antwoorden waar het standaardmodel tekortschiet. Het standaardmodel voorspelt dat deeltjes die elektronen omringen de vorm van een elektron beïnvloeden, maar op een zo klein mogelijke schaal dat ze met de bestaande technologie vrijwel niet op te sporen zijn. Maar andere theorieën suggereren dat er tot nu toe nog niet ontdekte zware deeltjes zijn. Zo stelt het Supersymmetric Standard Model dat elk deeltje in het Standard Model een antimateriepartner heeft. Die hypothetische zwaargewichtdeeltjes zouden elektronen vervormen in een mate die onderzoekers zouden moeten kunnen waarnemen, aldus de auteurs van de nieuwe studie.
Verlichtende elektronen
Om die voorspellingen te testen, staarden nieuwe experimenten naar elektronen met een resolutie die tien keer groter was dan eerdere inspanningen, voltooid in 2014; beide onderzoeken zijn uitgevoerd door het onderzoeksproject Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
De onderzoekers zochten naar een ongrijpbaar (en onbewezen) fenomeen, het elektrische dipoolmoment, waarbij de bolvorm van een elektron vervormd lijkt - 'gedeukt aan het ene uiteinde en uitpuilend aan het andere', legde DeMille uit - vanwege zware deeltjes die de lading van het elektron beïnvloeden.
Deze deeltjes zouden "vele, vele ordes van grootte groter" zijn dan deeltjes voorspeld door het standaardmodel, "dus het is een heel duidelijke manier om te zien of er iets nieuws gebeurt buiten het standaardmodel," zei DeMille.
Voor de nieuwe studie stuurden ACME-onderzoekers een bundel koude thoriumoxide-moleculen met een snelheid van 1 miljoen per puls, 50 keer per seconde, naar een relatief kleine kamer in een kelder aan de Harvard University. De wetenschappers zapten de moleculen met lasers en bestudeerden het door de moleculen gereflecteerde licht; bochten in het licht zouden wijzen op een elektrisch dipoolmoment.
Maar er waren geen wendingen in het gereflecteerde licht, en dit resultaat werpt een donkere schaduw over de natuurkundetheorieën die zware deeltjes rond elektronen voorspelden, aldus de onderzoekers. Die deeltjes bestaan misschien nog steeds, maar ze zouden heel anders zijn dan hoe ze zijn beschreven in bestaande theorieën, zei DeMille in een verklaring.
"Ons resultaat vertelt de wetenschappelijke gemeenschap dat we sommige van de alternatieve theorieën serieus moeten heroverwegen," zei DeMille.
Duistere ontdekkingen
Hoewel dit experiment het deeltjesgedrag rond elektronen evalueerde, biedt het ook belangrijke implicaties voor het zoeken naar donkere materie, zei DeMille. Net als subatomaire deeltjes kan donkere materie niet direct worden waargenomen. Maar astrofysici weten dat het er is, omdat ze de zwaartekracht ervan op sterren, planeten en licht hebben waargenomen.
"Net als wij, kijken we in het hart van waar veel theorieën voorspellen - voor een lange tijd en om zeer goede redenen - zou er een signaal moeten verschijnen," zei DeMille. 'En toch zien ze niets en we zien niets.'
Zowel donkere materie als nieuwe subatomaire deeltjes die niet waren voorspeld door het standaardmodel moeten nog direct worden opgemerkt; toch suggereert een groeiend aantal overtuigende bewijzen dat deze fenomenen bestaan. Maar voordat wetenschappers ze kunnen vinden, moeten enkele aloude ideeën over hoe ze eruit zien waarschijnlijk worden geschrapt, voegde DeMille eraan toe.
'Verwachtingen over nieuwe deeltjes zien er steeds meer uit alsof ze verkeerd waren', zei hij.
De bevindingen zijn vandaag (17 oktober) online gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
