Nella rappresentazione di questo artista, un elettrone orbita attorno al nucleo di un atomo, ruotando attorno al proprio asse come una nuvola di altre particelle subatomiche vengono costantemente emesse e riassorbite. Diverse ipotesi prevedono particelle, non ancora individuato, farebbe apparire la nuvola leggermente a forma di pera. I ricercatori di ACME hanno scrutato la forma con risultati senza precedenti, estrema precisione. Ai limiti del loro esperimento, videro una sfera perfettamente rotonda, implicando che certi tipi di nuove particelle - se esistono affatto - hanno proprietà diverse da quelle previste dai teorici. Credito:Nicolle R. Fuller, Fondazione Nazionale della Scienza
In un nuovo studio, ricercatori della Northwestern, Le università di Harvard e Yale hanno esaminato la forma della carica di un elettrone con una precisione senza precedenti per confermare che è perfettamente sferica. Una carica leggermente schiacciata avrebbe potuto indicare sconosciuto, particelle pesanti difficili da rilevare in presenza dell'elettrone, una scoperta che avrebbe potuto sconvolgere la comunità globale dei fisici.
"Se avessimo scoperto che la forma non era rotonda, sarebbe il titolo più importante in fisica degli ultimi decenni, " disse Gerald Gabrielse, che ha guidato la ricerca alla Northwestern. "Ma la nostra scoperta è ancora altrettanto scientificamente significativa perché rafforza il modello standard della fisica delle particelle ed esclude modelli alternativi".
Lo studio sarà pubblicato il 18 ottobre sulla rivista Natura . Oltre a Gabriele, la ricerca è stata condotta da John Doyle, l'Henry B. Silsbee Professore di Fisica ad Harvard, e David De Mille, professore di fisica a Yale. Il trio guida la ricerca del momento di dipolo elettrico avanzata dalla National Science Foundation (NSF) finanziata dalla National Science Foundation (NSF).
Il modello standard scadente
Una teoria di vecchia data, il Modello Standard della fisica delle particelle descrive la maggior parte delle forze e delle particelle fondamentali nell'universo. Il modello è un'immagine matematica della realtà, e nessun esperimento di laboratorio ancora eseguito lo ha contraddetto.
Questa mancanza di contraddizione ha sconcertato i fisici per decenni.
"Il Modello Standard così com'è non può assolutamente essere giusto perché non può prevedere il motivo per cui esiste l'universo, "disse Gabriele, il Board of Trustees Professore di Fisica alla Northwestern. "Questa è una scappatoia piuttosto grande."
Gabrielse e i suoi colleghi dell'ACME hanno trascorso la loro carriera cercando di colmare questa scappatoia esaminando le previsioni del Modello Standard e poi cercando di confermarle attraverso esperimenti da tavolo in laboratorio.
Il tentativo di "aggiustare" il Modello Standard, molti modelli alternativi prevedono che la sfera apparentemente uniforme di un elettrone sia in realtà schiacciata in modo asimmetrico. Uno di questi modelli, chiamato Modello Supersimmetrico, postula che sconosciuto, particelle subatomiche pesanti influenzano l'elettrone per alterare la sua forma perfettamente sferica, un fenomeno non dimostrato chiamato "momento di dipolo elettrico". Questi sconosciuti, le particelle più pesanti potrebbero essere responsabili di alcuni dei misteri più eclatanti dell'universo e potrebbero spiegare perché l'universo è fatto di materia invece che di antimateria.
"Quasi tutti i modelli alternativi affermano che la carica dell'elettrone potrebbe essere schiacciata, ma non abbiamo guardato con sufficiente sensibilità, "disse Gabriele, il direttore fondatore del nuovo Center for Fundamental Physics della Northwestern. "Ecco perché abbiamo deciso di guardare lì con una precisione mai realizzata prima".
Schiacciare le teorie alternative
Il team dell'ACME ha sondato questa domanda sparando un raggio di molecole di ossido di torio freddo in una camera delle dimensioni di una grande scrivania. I ricercatori hanno quindi studiato la luce emessa dalle molecole. La luce di torsione indicherebbe un momento di dipolo elettrico. Quando la luce non girava, il team di ricerca ha concluso che la forma dell'elettrone era, infatti, il giro, confermando la previsione del Modello Standard. Nessuna prova di un momento di dipolo elettrico significa nessuna prova di quelle ipotetiche particelle più pesanti. Se queste particelle esistono davvero, le loro proprietà differiscono da quelle previste dai teorici.
"Il nostro risultato dice alla comunità scientifica che dobbiamo ripensare seriamente ad alcune delle teorie alternative, " ha detto De Mille.
Nel 2014, il team ACME ha eseguito la stessa misurazione con un apparato più semplice. Utilizzando metodi laser migliorati e diverse frequenze laser, l'esperimento attuale era un ordine di grandezza più sensibile del suo predecessore.
"Se un elettrone avesse le dimensioni della Terra, potremmo rilevare se il centro della Terra fosse lontano da una distanza un milione di volte più piccola di un capello umano, " spiegò Gabrielse. "Così è sensibile il nostro apparato."
Gabriele, De Mille, Doyle e il loro team hanno in programma di continuare a mettere a punto il loro strumento per effettuare misurazioni sempre più precise. Fino a quando i ricercatori non troveranno prove contrarie, la forma rotonda dell'elettrone e i misteri dell'universo rimarranno.
"Sappiamo che il modello standard è sbagliato, ma non riusciamo a trovare dove è sbagliato. È come un enorme romanzo giallo, " ha detto Gabrielse. "Dovremmo stare molto attenti a fare supposizioni che ci stiamo avvicinando alla soluzione del mistero, ma ho una notevole speranza che ci stiamo avvicinando a questo livello di precisione".
