In een nieuwe studie, onderzoekers van Northwestern, De universiteiten van Harvard en Yale hebben de vorm van de lading van een elektron met ongekende precisie onderzocht om te bevestigen dat het perfect bolvormig is. Een licht geplette lading kan duiden op onbekend, moeilijk te detecteren zware deeltjes in de aanwezigheid van het elektron, een ontdekking die de wereldwijde natuurkundegemeenschap op zijn kop had kunnen zetten.

"Als we hadden ontdekt dat de vorm niet rond was, dat zou de grootste kop in de natuurkunde zijn van de afgelopen decennia, " zei Gerard Gabriëlse, die het onderzoek bij Northwestern leidde. "Maar onze bevinding is nog steeds net zo wetenschappelijk belangrijk omdat het het standaardmodel van de deeltjesfysica versterkt en alternatieve modellen uitsluit."

De studie zal op 18 oktober in het tijdschrift worden gepubliceerd Natuur . Naast Gabriëlse, het onderzoek werd geleid door John Doyle, de Henry B. Silsbee hoogleraar natuurkunde aan Harvard, en David De Mille, hoogleraar natuurkunde aan Yale. Het trio leidt de door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde Advanced Cold Molecule Electron (ACME) Electric Dipole Moment Search.

Het ondermaatse standaardmodel

Een al lang bestaande theorie, het standaardmodel van deeltjesfysica beschrijft de meeste fundamentele krachten en deeltjes in het universum. Het model is een wiskundig beeld van de werkelijkheid, en nog geen laboratoriumexperimenten hebben dit tegengesproken.

Dit gebrek aan tegenspraak houdt natuurkundigen al decennia voor een raadsel.

"Het standaardmodel zoals het is, kan onmogelijk juist zijn omdat het niet kan voorspellen waarom het universum bestaat, " zei Gabriëlse, de Board of Trustees hoogleraar natuurkunde aan de Northwestern. "Dat is een vrij grote maas in de wet."

Gabrielse en zijn ACME-collega's hebben hun hele loopbaan geprobeerd deze maas in de wet te dichten door de voorspellingen van het standaardmodel te onderzoeken en deze vervolgens te bevestigen door middel van tafelexperimenten in het laboratorium.

Pogingen om het standaardmodel te "repareren", veel alternatieve modellen voorspellen dat de schijnbaar uniforme bol van een elektron in feite asymmetrisch wordt platgedrukt. Een dergelijk model, het supersymmetrische model genoemd, stelt dat onbekend, zware subatomaire deeltjes beïnvloeden het elektron om zijn perfect bolvorm te veranderen - een onbewezen fenomeen dat het 'elektrische dipoolmoment' wordt genoemd. Deze onontdekte, zwaardere deeltjes zouden verantwoordelijk kunnen zijn voor enkele van de meest in het oog springende mysteries van het universum en zouden mogelijk kunnen verklaren waarom het universum is gemaakt van materie in plaats van antimaterie.

"Bijna alle alternatieve modellen zeggen dat de elektronenlading wel eens geplet kan worden, maar we hebben gewoon niet gevoelig genoeg gekeken, " zei Gabriëlse, de oprichter en directeur van het nieuwe Center for Fundamental Physics van Northwestern. "Daarom hebben we besloten om daar met een hogere precisie te kijken dan ooit tevoren."

De alternatieve theorieën verpletteren

Het ACME-team onderzocht deze vraag door een straal koude thoriumoxidemoleculen af ​​te vuren in een kamer ter grootte van een groot bureau. Onderzoekers bestudeerden vervolgens het licht dat door de moleculen werd uitgestraald. Draaiend licht zou een elektrisch dipoolmoment aangeven. Toen het licht niet draaide, het onderzoeksteam concludeerde dat de vorm van het elektron was, in feite, ronde, bevestiging van de voorspelling van het standaardmodel. Geen bewijs van een elektrisch dipoolmoment betekent geen bewijs van die hypothetische zwaardere deeltjes. Als deze deeltjes al bestaan, hun eigenschappen verschillen van die voorspeld door theoretici.

"Ons resultaat vertelt de wetenschappelijke gemeenschap dat we enkele van de alternatieve theorieën serieus moeten heroverwegen, ' zei DeMille.

In 2014, het ACME-team voerde dezelfde meting uit met een eenvoudiger apparaat. Door gebruik te maken van verbeterde lasermethoden en verschillende laserfrequenties, het huidige experiment was een orde van grootte gevoeliger dan zijn voorganger.

"Als een elektron zo groot zou zijn als de aarde, we konden detecteren of het centrum van de aarde een miljoen keer kleiner was dan een mensenhaar, ' legde Gabrielse uit. 'Zo gevoelig is ons apparaat.'

Gabriëlse, de Mille, Doyle en hun teams zijn van plan hun instrument te blijven afstemmen om steeds nauwkeurigere metingen te doen. Totdat onderzoekers het tegendeel bewijzen, de ronde vorm van het elektron - en de mysteries van het universum - zullen blijven bestaan.

"We weten dat het standaardmodel verkeerd is, maar we kunnen niet vinden waar het mis is. Het is als een enorme mysterieroman, Gabrielse zei. "We moeten heel voorzichtig zijn met het maken van aannames dat we dichter bij het oplossen van het mysterie komen, maar ik heb grote hoop dat we dichter bij dit niveau van precisie komen."