Undersøgelse understøtter standardmodel for partikelfysik, udelukker alternative modeller

I en ny undersøgelse, forskere ved Northwestern, Harvard og Yale universiteter undersøgte formen af ​​en elektronladning med en hidtil uset præcision for at bekræfte, at den er perfekt sfærisk. En let knust ladning kunne have indikeret ukendt, svære at opdage tunge partikler i elektronens tilstedeværelse, en opdagelse, der kunne have styrket det globale fysikfællesskab.

"Hvis vi havde opdaget, at formen ikke var rund, det ville være den største overskrift i fysik i de sidste flere årtier, "sagde Gerald Gabrielse, der ledede forskningen i Northwestern. "Men vores fund er stadig lige så videnskabeligt vigtigt, fordi det styrker standardmodellen for partikelfysik og udelukker alternative modeller."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort 18. oktober i tidsskriftet Natur . Ud over Gabrielse, forskningen blev ledet af John Doyle, Henry B. Silsbee -professor i fysik ved Harvard, og David DeMille, professor i fysik ved Yale. Trioen leder National Science Foundation (NSF) -finansieret Advanced Cold Molecule Electron (ACME) Electric Dipole Moment Search.

Understandarden Standard Model

En mangeårig teori, Standardmodellen for partikelfysik beskriver de fleste af de grundlæggende kræfter og partikler i universet. Modellen er et matematisk billede af virkeligheden, og ingen laboratorieforsøg, der endnu er udført, har modsagt det.

Denne mangel på selvmodsigelse har undret fysikere i årtier.

"Standardmodellen, som den er, kan umuligt være rigtig, fordi den ikke kan forudsige, hvorfor universet eksisterer, sagde Gabrielse, bestyrelsen professor i fysik på Northwestern. "Det er et ret stort smuthul."

Gabrielse og hans ACME-kolleger har brugt deres karriere på at forsøge at lukke dette smuthul ved at undersøge standardmodellens forudsigelser og derefter forsøge at bekræfte dem gennem bordeksperimenter i laboratoriet.

Forsøg på at "rette" standardmodellen, mange alternative modeller forudsiger, at en elektrons tilsyneladende ensartede kugle faktisk er asymmetrisk klemt. En sådan model, kaldet den supersymmetriske model, hævder det ukendte, tunge subatomare partikler påvirker elektronen til at ændre dens perfekt sfæriske form - et ubevist fænomen kaldet det "elektriske dipolmoment." Disse uopdagede, tungere partikler kunne være ansvarlige for nogle af universets mest grelle mysterier og kunne muligvis forklare, hvorfor universet er lavet af stof i stedet for antistof.

"Næsten alle de alternative modeller siger, at elektronladningen godt kan blive klemt, men vi har bare ikke set følsomt nok ud, sagde Gabrielse, den stiftende direktør for Northwesterns nye Center for Fundamental Physics. "Derfor besluttede vi at se dertil med en højere præcision end nogensinde før."

Klemme de alternative teorier

ACME-teamet undersøgte dette spørgsmål ved at affyre en stråle af kolde thoriumoxidmolekyler i et kammer på størrelse med et stort skrivebord. Forskere undersøgte derefter lyset fra molekylerne. Vridende lys ville indikere et elektrisk dipolmoment. Når lyset ikke snoede sig, forskerholdet konkluderede, at elektronens form var, faktisk, rund, bekræfter standardmodellens forudsigelse. Intet bevis på et elektrisk dipolmoment betyder intet bevis på de hypotetiske tungere partikler. Hvis disse partikler overhovedet eksisterer, deres egenskaber adskiller sig fra dem, der forudsiges af teoretikere.

"Vores resultat fortæller det videnskabelige samfund, at vi seriøst skal genoverveje nogle af de alternative teorier, "Sagde DeMille.

I 2014, ACME -teamet udførte den samme måling med et enklere apparat. Ved at bruge forbedrede lasermetoder og forskellige laserfrekvenser, det nuværende eksperiment var en størrelsesorden mere følsomt end dets forgænger.

"Hvis en elektron var på størrelse med Jorden, vi kunne opdage, om Jordens centrum var væk i en afstand en million gange mindre end et menneskehår, "Forklarede Gabrielse." Så følsomt er vores apparat. "

Gabrielse, DeMille, Doyle og deres hold planlægger at blive ved med at indstille deres instrument for at foretage mere og mere præcise målinger. Indtil forskere finder beviser for det modsatte, elektronens runde form - og universets mysterier - vil forblive.

"Vi ved, at standardmodellen er forkert, men vi kan ikke se, hvor det er forkert. Det er som en kæmpe mysterieroman, "Sagde Gabrielse." Vi bør være meget forsigtige med at antage, at vi kommer tættere på at løse mysteriet, men jeg har et stort håb om, at vi kommer tættere på dette præcisionsniveau."