Elektronen sind absolut rund, und einige Physiker sind damit unzufrieden.
Das neue Experiment hat die bislang detailliertesten Bilder von Elektronen aufgenommen. Wissenschaftler haben Laser verwendet, um Hinweise auf Partikel zu erkennen, die die Partikel umgeben. Durch die Beleuchtung von Molekülen konnten die Forscher verstehen, wie subatomare Teilchen die Verteilung der Ladung eines Elektrons verändern.
Die symmetrische Kreisform der Elektronen legt nahe, dass die unsichtbaren Teilchen nicht groß genug sind, um die Form der Elektronen in ein Oval zu ändern. Die Ergebnisse der Studie bestätigen eine alte physikalische Theorie, die als Standardmodell bekannt ist und beschreibt, wie sich Teilchen und Kräfte im Universum verhalten.
Gleichzeitig könnte die neue Entdeckung mehrere Theorien der alternativen Physik auf den Kopf stellen, die versuchen, fehlende Informationen über Phänomene zu finden, die das Standardmodell nicht erklären kann.
Da subatomare Partikel nicht direkt beobachtet werden können, lernen Wissenschaftler sie durch Indizien kennen. Durch Beobachtung, was in einem Vakuum um negativ geladene Elektronen geschieht, von denen angenommen wird, dass sie von Wolken noch unsichtbarer Teilchen umgeben sind, können Forscher Modelle für das Verhalten von Subatomen erstellen.
Das Standardmodell beschreibt die Wechselwirkungen zwischen allen Bausteinen der Materie sowie die Kräfte, die auf subatomare Teilchen wirken. Diese Theorie hat jahrzehntelang erfolgreich vorausgesagt, wie sich Materie verhalten wird.
Es gibt jedoch einige Punkte, die das Modell nicht erklären kann. Zum Beispiel dunkle Materie, eine mysteriöse und unsichtbare Substanz, die zur Anziehungskraft der Gravitation fähig ist, aber kein Licht emittiert. Das Modell erklärt auch nicht die Schwerkraft sowie andere fundamentale Kräfte, die die Materie beeinflussen.
Alternative physikalische Theorien bieten Antworten, wenn das Standardmodell versagt. Das Standardmodell sagt voraus, dass die das Elektron umgebenden Teilchen seine Form beeinflussen, jedoch in einem so infinitesimalen Maßstab, dass es mit der vorhandenen Technologie fast unmöglich ist, sie zu erfassen.
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Andere Theorien besagen jedoch, dass es immer noch unbekannte schwere Partikel gibt. Das supersymmetrische Standardmodell besagt beispielsweise, dass jedes Partikel im Standardmodell einen Antimateriepartner hat. Diese hypothetischen schweren Teilchen können Elektronen so weit verformen, dass die Forscher sie sehen können. Um diese Vorhersagen zu testen, wurden im neuen Experiment Elektronen mit der zehnfachen Auflösung eines früheren Versuchs im Jahr 2014 untersucht.
Die Forscher suchten nach einem schwer fassbaren und unbewiesenen Phänomen namens elektrischem Dipolmoment, bei dem die Kugelform eines Elektrons deformiert zu sein scheint - „an einem Ende zerkleinert und am anderen konvex“, erklärt DeMille. Diese Form sollte eine Folge des Einflusses schwerer Teilchen auf die Elektronenladung sein.
Diese Partikel wären "viele, viele Größenordnungen stärker" als die vom Standardmodell vorhergesagten Partikel, daher wäre dies "ein überzeugender Weg, um zu beweisen, ob etwas außerhalb der Erklärungen des Standardmodells passiert", sagt DeMille.
Für die neue Studie verwendeten die Forscher Strahlen kalter Thoriumoxidmoleküle mit einer Geschwindigkeit von 1 Million pro Puls 50 Mal pro Sekunde in einer relativ kleinen Kammer im Keller der Harvard University. Wissenschaftler feuerten Laser auf Moleküle und untersuchten, wie Licht von ihnen reflektiert würde; Lichtbrechung würde ein elektrisches Dipolmoment anzeigen.
Das reflektierte Licht war jedoch nicht verzerrt, und dieses Ergebnis wirft Zweifel an physikalischen Theorien auf, die vorhersagen, dass schwere Teilchen um Elektronen schwärmen. Diese Teilchen können existieren, unterscheiden sich jedoch wahrscheinlich von den in bestehenden Theorien beschriebenen.
"Unser Ergebnis fordert die Wissenschaft auf, alternative Theorien ernsthaft zu überdenken", sagt DeMille.
Während das Experiment das Verhalten von Teilchen um Elektronen untersuchte, lieferte es auch wichtige Erkenntnisse für die Suche nach dunkler Materie. Dunkle Materie kann wie subatomare Teilchen nicht direkt beobachtet werden. Astrophysiker wissen jedoch, dass es existiert, weil sie den Einfluss der Gravitation auf Sterne, Planeten und Licht beobachtet haben.
"Ähnlich wie wir schauen Astrophysiker darauf, wo viele Theorien ein Signal vorhergesagt haben", sagt DeMille. "Und während sie nichts sehen und wir nichts sehen."
Sowohl dunkle Materie als auch neue subatomare Teilchen, die das Standardmodell nicht vorhergesagt hat, müssen noch direkt gesehen werden. Dennoch deuten immer mehr schlüssige Beweise darauf hin, dass diese Phänomene existieren. Aber bevor Wissenschaftler sie finden, lohnt es sich wahrscheinlich, einige alte Theorien zu verwerfen.
„Vorhersagen darüber, wie subatomare Partikel aussehen, werden zunehmend unplausibel“, sagt DeMille.
