Электроны абсолютно круглые, и некоторые физики этим недовольны.
Новый эксперимент запечатлел самые детальные изображения электронов на данный момент. Ученые использовали лазеры, чтобы обнаружить доказательства существования частиц, окружающих частицы. Освещая молекулы, исследователи смогли понять, как субатомные частицы изменяют распределение заряда электрона.
Симметричная круглая форма электронов предполагает, что невидимые частицы недостаточно велики, чтобы менять форму электронов на овальную. Результаты исследования вновь подтверждают старую физическую теорию, известную как стандартная модель, которая описывает, как частицы и силы во Вселенной ведут себя.
Электрон и его соседи глазами художника. © NSF
И в то же самое время новое открытие может перевернуть несколько теорий альтернативной физики, которые пытаются найти недостающую информацию о феноменах, которые стандартная модель объяснить не может.
Так как субатомные частицы нельзя наблюдать напрямую, ученые узнают о них через косвенные доказательства. Наблюдая, что происходит в вакууме вокруг отрицательно заряженных электронов, которые, как считается, окружены облаками пока невидимых частиц, исследователи могут создать модели поведения субатомов.
Стандартная модель описывает взаимодействия между всеми строительными блоками вещества, а также силы, которые действуют на субатомные частицы. Десятилетиями эта теория успешно предсказывала, как будет вести себя вещество.
Однако есть несколько моментов, которые модель не в состоянии объяснить. Например, темную материю, загадочную и невидимую субстанцию, которая способна на гравитационное притяжение, но не выделяет света. Также модель не объясняет гравитацию, а также другие фундаментальные силы, которые влияют на вещество.
Теории альтернативной физики предлагают ответы там, где стандартная модель терпит неудачу. Стандартная модель предсказывает, что частицы, окружающие электрон, влияют на его форму, но в таком бесконечно малом масштабе, что это практически невозможно выявить, используя существующие технологии.
Но другие теории говорят о том, что есть еще нераскрытые тяжелые частицы. Например, суперсимметричная стандартная модель утверждает, что каждая частица в стандартной модели имеет партнера-антивещество. Эти гипотетические тяжелые частицы могут деформировать электроны до такой степени, что исследователи могут это видеть. Чтобы протестировать эти прогнозы, в ходе нового эксперимента ученые рассмотрели электроны с разрешением в 10 раз больше, чем во время предыдущей попытки в 2014 году.
Исследователи искали неуловимый и недоказанный феномен под названием электрический дипольный момент, при котором сферическая форма электрона кажется деформированной — «придавленной на одном конце и выпуклой на другом», объясняет Демилль. Такая форма должна быть следствием влияния тяжелых частиц на заряд электрона.
Эти частицы были бы «на много и много порядков сильнее», чем частицы, предсказанные стандартной моделью, поэтому это был бы «убедительный способ доказать, происходит ли что-то за пределами объяснений стандартной модели», говорит Демилль.
Для нового исследования ученые использовали лучи молекул холодного оксида тория со скоростью 1 млн на импульс 50 раз в секунду в относительно небольшой камере в цокольном этаже Гарвардского университета. Ученые стреляли по молекулам лазерами и изучали, как от них будет отражаться свет; преломление в свете указывало бы на электрический дипольный момент.
Но в отраженном свете не было искажений, и этот результат ставит под сомнение физические теории, которые предсказывают, что вокруг электронов роятся тяжелые частицы. Эти частицы могут существовать, но, скорее всего, отличаются от того, как описаны в существующих теориях.
«Наш результат говорит научному сообществу, что надо серьезно пересмотреть альтернативные теории», — говорит Демилль.
Хотя эксперимент оценивал поведение частиц вокруг электронов, он также обеспечил важные выводы для поиска темной материи. Как и субатомные частицы, темную материю нельзя наблюдать напрямую. Но астрофизики знают, что она есть, потому что наблюдали ее гравитационное влияние на звезды, планеты и свет.
«Во многом как и мы, астрофизики смотрят туда, откуда много теорий предсказывали появление сигнала, — говорит Демилль. — И пока они ничего не видят, и мы не видим ничего».
И темная материя, и новые субатомные частицы, которые не предсказывала стандартная модель, еще предстоит увидеть напрямую; но все же растущий объем убедительных доказательств предполагает, что эти феномены существуют. Но до того как ученые найдут их, вероятно, стоит забраковать некоторые старые теории.
«Предсказания о том, как выглядят субатомные частицы выглядят все более и неправдоподобными», — говорит Демилль.
