Elektronen sind extrem rund und einige Physiker sind darüber nicht erfreut.
Ein neues Experiment erfasste die bislang detaillierteste Ansicht von Elektronen und verwendete Laser, um Hinweise auf Partikel zu geben, die die Partikel umgeben, berichteten Forscher in einer neuen Studie. Durch das Aufleuchten von Molekülen konnten die Wissenschaftler interpretieren, wie andere subatomare Teilchen die Verteilung der Ladung eines Elektrons verändern.
Die symmetrische Rundheit der Elektronen deutete darauf hin, dass unsichtbare Teilchen nicht groß genug sind, um Elektronen in gequetschte längliche Formen oder Ovale zu verwandeln. Diese Ergebnisse bestätigen erneut eine langjährige physikalische Theorie, die als Standardmodell bekannt ist und beschreibt, wie sich Teilchen und Kräfte im Universum verhalten.
Gleichzeitig könnte diese neue Entdeckung mehrere alternative physikalische Theorien auf den Kopf stellen, die versuchen, die Lücken über Phänomene zu füllen, die das Standardmodell nicht erklären kann. Dies schickt einige wahrscheinlich sehr verärgerte Physiker zurück an das Reißbrett, sagte der Co-Autor der Studie, David DeMille, Professor am Institut für Physik der Yale University in New Haven, Connecticut.
"Es wird sicherlich niemanden sehr glücklich machen", sagte DeMille gegenüber Live Science.
Eine bewährte Theorie
Da subatomare Partikel noch nicht direkt beobachtet werden können, lernen Wissenschaftler die Objekte durch indirekte Beweise kennen. Durch Beobachtung, was im Vakuum um negativ geladene Elektronen geschieht - von denen angenommen wird, dass sie von Wolken noch nicht gesehener Teilchen schwärmen - können Forscher Modelle des Teilchenverhaltens erstellen, sagte DeMille.
Das Standardmodell beschreibt die meisten Wechselwirkungen zwischen allen Bausteinen der Materie sowie die Kräfte, die auf diese Partikel wirken. Diese Theorie hat jahrzehntelang erfolgreich vorausgesagt, wie sich Materie verhält.
Es gibt jedoch einige nagende Ausnahmen für den Erklärungserfolg des Modells. Das Standardmodell erklärt keine dunkle Materie, eine mysteriöse und unsichtbare Substanz, die eine Anziehungskraft ausübt, aber kein Licht emittiert. Und das Modell berücksichtigt laut der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) nicht die Schwerkraft neben den anderen fundamentalen Kräften, die die Materie beeinflussen.
Alternative physikalische Theorien bieten Antworten, bei denen das Standardmodell zu kurz kommt. Das Standardmodell sagt voraus, dass Teilchen, die Elektronen umgeben, die Form eines Elektrons beeinflussen, jedoch in einem so infinitesimalen Maßstab, dass sie mit der vorhandenen Technologie so gut wie nicht nachweisbar sind. Andere Theorien deuten jedoch darauf hin, dass es noch unentdeckte schwere Partikel gibt. Das supersymmetrische Standardmodell geht beispielsweise davon aus, dass jedes Partikel im Standardmodell einen Antimateriepartner hat. Diese hypothetischen Schwergewichtspartikel würden Elektronen in einem Ausmaß verformen, das Forscher beobachten sollten, sagten die Autoren der neuen Studie.
Elektronen beleuchten
Um diese Vorhersagen zu testen, haben neue Experimente Elektronen mit einer Auflösung untersucht, die zehnmal höher ist als bei früheren Bemühungen, die 2014 abgeschlossen wurden. Beide Untersuchungen wurden vom Forschungsprojekt Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipol Moment Search (ACME) durchgeführt.
Die Forscher suchten nach einem schwer fassbaren (und unbewiesenen) Phänomen, dem elektrischen Dipolmoment, bei dem die Kugelform eines Elektrons deformiert zu sein scheint - "an einem Ende verbeult und am anderen gewölbt", erklärte DeMille -, weil schwere Teilchen die Ladung des Elektrons beeinflussen.
Diese Partikel wären "viele, viele Größenordnungen größer" als die vom Standardmodell vorhergesagten Partikel. "Es ist also eine sehr klare Methode, um festzustellen, ob über das Standardmodell hinaus etwas Neues passiert", sagte DeMille.
Für die neue Studie richteten ACME-Forscher einen Strahl kalter Thoriumoxidmoleküle mit einer Geschwindigkeit von 1 Million pro Puls 50 Mal pro Sekunde in eine relativ kleine Kammer in einem Keller der Harvard University. Die Wissenschaftler zappten die Moleküle mit Lasern und untersuchten das von den Molekülen reflektierte Licht. Biegungen im Licht würden auf ein elektrisches Dipolmoment hinweisen.
Das reflektierte Licht hatte jedoch keine Verdrehungen, und dieses Ergebnis wirft einen dunklen Schatten auf die physikalischen Theorien, die schwere Teilchen um Elektronen vorhersagten, sagten die Forscher. Diese Teilchen könnten noch existieren, aber sie würden sich sehr von denen unterscheiden, wie sie in bestehenden Theorien beschrieben wurden, sagte DeMille in einer Erklärung.
"Unser Ergebnis zeigt der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass wir einige der alternativen Theorien ernsthaft überdenken müssen", sagte DeMille.
Dunkle Entdeckungen
Während dieses Experiment das Teilchenverhalten um Elektronen untersuchte, liefert es auch wichtige Implikationen für die Suche nach dunkler Materie, sagte DeMille. Dunkle Materie kann wie subatomare Teilchen nicht direkt beobachtet werden. Aber Astrophysiker wissen, dass es dort ist, weil sie die Auswirkungen der Gravitation auf Sterne, Planeten und Licht beobachtet haben.
"Ähnlich wie wir schauen wir in das Herz, in dem viele Theorien vorhergesagt haben - seit langer Zeit und aus sehr guten Gründen -, dass ein Signal erscheinen sollte", sagte DeMille. "Und doch sehen sie nichts und wir sehen nichts."
Sowohl dunkle Materie als auch neue subatomare Partikel, die vom Standardmodell nicht vorhergesagt wurden, müssen noch direkt entdeckt werden. Dennoch deuten immer mehr überzeugende Beweise darauf hin, dass diese Phänomene existieren. Aber bevor Wissenschaftler sie finden können, müssen wahrscheinlich einige langjährige Ideen darüber, wie sie aussehen, verworfen werden, fügte DeMille hinzu.
"Die Erwartungen an neue Partikel sehen immer mehr so aus, als wären sie falsch", sagte er.
Die Ergebnisse wurden heute (17. Oktober) online in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
