Elektron sangat bulat, dan sesetengah ahli fizik tidak puas dengannya.
Satu eksperimen baru menangkap pandangan elektron yang paling terperinci sehingga kini, menggunakan laser untuk menunjukkan bukti zarah-zarah yang mengelilingi zarah, penyelidik melaporkan dalam satu kajian baru. Dengan menyalakan molekul, saintis dapat mentafsir bagaimana zarah subatom lain mengubah pengedaran caj elektron.
Bulat simetri elektron mencadangkan bahawa zarah-zarah ghaib tidak cukup besar untuk meretas elektron ke dalam bentuk bujur berliku, atau oval. Penemuan ini sekali lagi mengesahkan teori fizik yang lama, yang dikenali sebagai Model Standard, yang menggambarkan bagaimana zarah dan daya di alam semesta berkelakuan.
Pada masa yang sama, penemuan baru ini dapat membalikkan beberapa teori fizik alternatif yang cuba mengisi kekosongan mengenai fenomena yang Model Standard tidak dapat menjelaskan. Ini menghantar beberapa ahli fizik yang sangat tidak puas ke papan lukisan, kata pengarang penyelidikan David DeMille, seorang profesor dengan Jabatan Fizik di Universiti Yale di New Haven, Connecticut.
"Ia tidak akan membuatkan orang gembira," kata DeMille kepada Live Science.
Teori yang diuji dengan baik
Oleh kerana zarah-zarah subatomik masih belum diperhatikan secara langsung, saintis mempelajari objek melalui bukti tidak langsung. Dengan memerhati apa yang berlaku dalam vakum di sekeliling elektron bercas negatif - difikirkan akan berkerumun dengan awan zarah yang belum dijumpai - penyelidik boleh mencipta model perilaku zarah, kata DeMille.
Model Standard menggambarkan kebanyakan interaksi antara semua blok bangunan perkara, serta daya yang bertindak pada zarah tersebut. Selama beberapa dekad, teori ini telah berjaya meramalkan bagaimana keadaan berkelakuan.
Walau bagaimanapun, terdapat pengecualian beberapa kejelasan untuk kejayaan penjelasan model. Model Standard tidak menerangkan perkara gelap, benda misteri dan tidak kelihatan yang menimbulkan tarikan graviti, namun tidak mengeluarkan cahaya. Dan model ini tidak menyumbang graviti bersama daya asas yang lain yang mempengaruhi perkara, menurut Organisasi Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN).
Teori fizik alternatif menawarkan jawapan di mana Model Standard jatuh pendek. Model Standard meramalkan bahawa zarah-zarah yang mengelilingi elektron mempengaruhi bentuk elektron, tetapi pada skala yang kecil sehingga tidak dapat dikesan dengan menggunakan teknologi yang sedia ada. Tetapi teori-teori lain menunjukkan bahawa terdapat zarah-zarah berat yang belum ditemui. Sebagai contoh, model Standard Supersymmetric memaparkan bahawa setiap zarah dalam Model Standard mempunyai rakan antimatter. Mereka zarah berat kelas hipotetikal akan mengubah elektron ke tahap yang penyelidik harus dapat diperhatikan, kata pengarang kajian baru itu.
Elektron bercahaya
Untuk menguji ramalan tersebut, eksperimen baru mengintip elektron pada resolusi 10 kali lebih tinggi daripada usaha sebelumnya, selesai pada tahun 2014; kedua-dua siasatan dijalankan oleh projek penyelidikan Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Para penyelidik mencari fenomena yang sukar difahami (dan tidak terbukti) yang dipanggil moment dipol elektrik, di mana bentuk sfera elektron kelihatan cacat - "pada satu ujung dan terbanting pada yang lain," jelas DeMille - kerana zarah berat mempengaruhi caj elektron.
Zarah-zarah ini akan menjadi "banyak, banyak pesanan magnitud yang lebih besar" daripada zarah-zarah yang diramalkan oleh Model Standard, "jadi cara yang sangat jelas untuk mengetahui jika ada sesuatu yang baru berlaku di luar Model Standard," kata DeMille.
Untuk kajian baru, penyelidik ACME mengarahkan rasuk molekul torium-oksida sejuk pada kadar 1 juta per nadi, 50 kali sesaat, ke dalam ruang yang agak kecil di bawah tanah di Harvard University. Para ahli sains melepaskan molekul dengan laser dan mengkaji cahaya yang dipantulkan oleh molekul; Selekoh di cahaya akan menunjuk pada masa dipole elektrik.
Tetapi tidak ada kelainan dalam cahaya yang dipantulkan, dan hasil ini memberikan bayangan gelap ke atas teori fizik yang meramalkan zarah-zarah berat di sekitar elektron, kata para penyelidik. Zarah-zarah tersebut mungkin masih wujud, tetapi mereka akan sangat berbeza dengan bagaimana mereka telah diterangkan dalam teori sedia ada, kata DeMille dalam satu kenyataan.
"Keputusan kami memberitahu komuniti saintifik bahawa kita perlu memikirkan semula beberapa teori alternatif secara serius," kata DeMille.
Penemuan gelap
Walaupun eksperimen ini menilai kelakuan zarah di sekeliling elektron, ia juga memberikan implikasi penting untuk mencari bahan gelap, kata DeMille. Seperti zarah subatomik, perkara gelap tidak boleh diperhatikan secara langsung. Tetapi ahli astrofizik tahu ia ada di sana, kerana mereka telah melihat kesan graviti terhadap bintang, planet dan cahaya.
"Sama seperti kita, melihat di mana banyak teori telah diramalkan - untuk masa yang lama dan untuk alasan yang sangat baik - isyarat harus muncul," kata DeMille. "Namun, mereka tidak melihat apa-apa, dan kami tidak melihat apa-apa."
Kedua-dua bahan gelap dan zarah-zarah subatomik baru yang tidak diramalkan oleh Model Standard masih lagi dilihat; Namun, bukti yang semakin kuat menunjukkan bahawa fenomena ini ada. Tetapi sebelum para saintis boleh menemui mereka, beberapa idea lama tentang apa yang mereka kelihatan mungkin perlu dibatalkan, tambah DeMille.
"Jangkaan mengenai zarah baru kelihatan lebih dan lebih seperti mereka telah salah," katanya.
Penemuan itu diterbitkan dalam talian hari ini (17 Oktober) dalam jurnal Nature.
