Les électrons sont absolument ronds et certains physiciens ne sont pas satisfaits de cela.
La nouvelle expérience a capturé les images d'électrons les plus détaillées à ce jour. Les scientifiques ont utilisé des lasers pour détecter des preuves de particules entourant les particules. En éclairant des molécules, les chercheurs ont pu comprendre comment les particules subatomiques modifient la distribution de la charge d'un électron.
La forme circulaire symétrique des électrons suggère que les particules invisibles ne sont pas assez grandes pour changer la forme des électrons en ovales. Les résultats de l'étude réaffirment une vieille théorie physique connue sous le nom de modèle standard, qui décrit le comportement des particules et des forces dans l'univers.
Et en même temps, la nouvelle découverte pourrait transformer plusieurs théories de la physique alternative qui tentent de trouver des informations manquantes sur des phénomènes que le modèle standard ne peut pas expliquer.
Étant donné que les particules subatomiques ne peuvent pas être observées directement, les scientifiques les apprennent grâce à des preuves circonstancielles. En observant ce qui se passe dans le vide autour d'électrons chargés négativement, censés être entourés de nuages de particules encore invisibles, les chercheurs peuvent créer des modèles pour le comportement des sous-atomes.
Le modèle standard décrit les interactions entre tous les éléments constitutifs de la matière, ainsi que les forces qui agissent sur les particules subatomiques. Pendant des décennies, cette théorie a prédit avec succès le comportement de la matière.
Cependant, il y a plusieurs points que le modèle est incapable d'expliquer. Par exemple, la matière noire, une substance mystérieuse et invisible capable d'attraction gravitationnelle, mais n'émettant pas de lumière. De plus, le modèle n'explique pas la gravité, ni les autres forces fondamentales qui affectent la matière.
Les théories de la physique alternative offrent des réponses là où le modèle standard échoue. Le modèle standard prédit que les particules qui entourent un électron affectent sa forme, mais à une échelle tellement infinitésimale qu'il est presque impossible de détecter en utilisant la technologie existante.
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Mais d'autres théories disent qu'il y a encore des particules lourdes non divulguées. Par exemple, le modèle standard supersymétrique indique que chaque particule du modèle standard a un partenaire antimatière. Ces hypothétiques particules lourdes peuvent déformer les électrons au point que les chercheurs peuvent voir. Pour tester ces prédictions, la nouvelle expérience a examiné des électrons à 10 fois la résolution d'une tentative précédente en 2014.
Les chercheurs recherchaient un phénomène insaisissable et non prouvé appelé moment dipolaire électrique, dans lequel la forme sphérique d'un électron semble être déformée - «écrasée à une extrémité et convexe à l'autre», explique DeMille. Cette forme devrait être une conséquence de l'influence des particules lourdes sur la charge électronique.
Ces particules seraient «de très nombreux ordres de grandeur plus fortes» que les particules prédites par le modèle standard, ce serait donc «un moyen convaincant de prouver si quelque chose se passe en dehors des explications du modèle standard», dit DeMille.
Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé des faisceaux de molécules d'oxyde de thorium froides à un taux de 1 million par impulsion 50 fois par seconde dans une chambre relativement petite au sous-sol de l'Université de Harvard. Les scientifiques ont tiré des lasers sur des molécules et ont étudié comment la lumière en serait réfléchie; la réfraction à la lumière indiquerait un moment dipolaire électrique.
Mais il n'y avait pas de distorsion dans la lumière réfléchie, et ce résultat jette un doute sur les théories physiques qui prédisent les particules lourdes grouillant autour des électrons. Ces particules peuvent exister, mais sont susceptibles de différer de ce qui est décrit dans les théories existantes.
«Notre résultat demande à la communauté scientifique de repenser sérieusement les théories alternatives», déclare DeMille.
Si l'expérience a évalué le comportement des particules autour des électrons, elle a également fourni des informations importantes pour la recherche de matière noire. Comme les particules subatomiques, la matière noire ne peut pas être observée directement. Mais les astrophysiciens savent qu'il existe parce qu'ils ont observé son influence gravitationnelle sur les étoiles, les planètes et la lumière.
«Tout comme nous, les astrophysiciens regardent là où de nombreuses théories ont prédit un signal», dit DeMille. "Et alors qu'ils ne voient rien, et que nous ne voyons rien."
La matière noire et les nouvelles particules subatomiques que le modèle standard n'a pas prédit restent à voir directement; Pourtant, un nombre croissant de preuves concluantes suggère que ces phénomènes existent. Mais avant que les scientifiques ne les trouvent, il vaut probablement la peine de jeter certaines vieilles théories.
«Les prédictions sur l'aspect des particules subatomiques semblent de plus en plus invraisemblables», déclare DeMille.
