I en ny studie, forskare på Northwestern, Harvard och Yale universitet undersökte formen av en elektron laddning med en aldrig tidigare skådad precision för att bekräfta att den är perfekt sfärisk. En lätt klämd laddning kunde ha visat okänd, svåra att upptäcka tunga partiklar i elektronens närvaro, en upptäckt som kunde ha uppväxt det globala fysikgemenskapen.

"Om vi ​​hade upptäckt att formen inte var rund, det skulle vara den största rubriken i fysik under de senaste decennierna, "sa Gerald Gabrielse, som ledde forskningen på Northwestern. "Men vårt fynd är fortfarande lika vetenskapligt viktigt eftersom det stärker standardmodellen för partikelfysik och utesluter alternativa modeller."

Studien publiceras den 18 oktober i tidningen Natur . Förutom Gabrielse, forskningen leds av John Doyle, Henry B. Silsbee professor i fysik vid Harvard, och David DeMille, professor i fysik vid Yale. Trion leder National Science Foundation (NSF) -finansierade Advanced Cold Molecule Electron (ACME) Electric Dipole Moment Search.

Undermodellen Standardmodell

En mångårig teori, Standardmodellen för partikelfysik beskriver de flesta av de grundläggande krafterna och partiklarna i universum. Modellen är en matematisk bild av verkligheten, och inga laboratorieexperiment som ännu har utförts har motsatt det.

Denna brist på motsägelse har förbryllat fysiker i årtionden.

"Standardmodellen som den ser ut kan omöjligt vara rätt eftersom den inte kan förutsäga varför universum existerar, "sa Gabrielse, styrelsen professor i fysik vid Northwestern. "Det är ett ganska stort kryphål."

Gabrielse och hans ACME-kollegor har tillbringat sina karriärer med att försöka stänga detta kryphål genom att undersöka standardmodellens förutsägelser och sedan försöka bekräfta dem genom bordsförsök i labbet.

Försöker "fixa" standardmodellen, många alternativa modeller förutsäger att en elektron till synes enhetlig sfär faktiskt är asymmetriskt klämd. En sådan modell, kallad den supersymmetriska modellen, säger att det okända, tunga subatomära partiklar påverkar elektronen att ändra dess perfekt sfäriska form - ett obevisat fenomen som kallas "elektrisk dipolmoment". Dessa oupptäckta, tyngre partiklar kan vara ansvariga för några av universums mest uppenbara mysterier och kan möjligen förklara varför universum är gjort av materia istället för antimateria.

"Nästan alla alternativa modeller säger att elektronladdningen mycket väl kan klämmas, men vi har bara inte tittat tillräckligt känsligt, "sa Gabrielse, grundande chef för Northwestern nya Center for Fundamental Physics. "Det är därför vi bestämde oss för att titta dit med en högre precision än någonsin insett tidigare."

Squashing de alternativa teorierna

ACME-teamet undersökte denna fråga genom att skjuta en stråle av kalla toriumoxidmolekyler in i en kammare med storleken på ett stort skrivbord. Forskare studerade sedan ljuset från molekylerna. Vridande ljus skulle indikera ett elektriskt dipolmoment. När ljuset inte vride sig, forskargruppen drog slutsatsen att elektronens form var, faktiskt, runda, bekräftar standardmodellens förutsägelse. Inga bevis för ett elektriskt dipolmoment betyder inget bevis på de hypotetiska tyngre partiklarna. Om dessa partiklar överhuvudtaget existerar, deras egenskaper skiljer sig från de som teoretikerna förutsäger.

"Vårt resultat berättar för det vetenskapliga samfundet att vi på allvar måste tänka om några av de alternativa teorierna, "Sa DeMille.

Under 2014, ACME -teamet utförde samma mätning med en enklare apparat. Genom att använda förbättrade lasermetoder och olika laserfrekvenser, det aktuella experimentet var en storleksordning mer känslig än sin föregångare.

"Om en elektron var lika stor som jorden, vi kunde upptäcka om jordens centrum var avstängt med en miljon gånger mindre avstånd än ett människohår, "Förklarade Gabrielse." Så känslig är vår apparat. "

Gabrielse, DeMille, Doyle och deras team planerar att fortsätta att stämma sitt instrument för att göra mer och mer exakta mätningar. Tills forskare hittar bevis för det motsatta, elektronens runda form - och universums mysterier - kommer att finnas kvar.

"Vi vet att standardmodellen är fel, men vi verkar inte hitta var det är fel. Det är som en enorm mysterieroman, "Gabrielse sa." Vi bör vara mycket försiktiga med att anta att vi kommer närmare att lösa mysteriet, men jag har stor förhoppning om att vi närmar oss denna precision. "