Em um novo estudo, pesquisadores da Northwestern, As universidades de Harvard e Yale examinaram a forma da carga de um elétron com uma precisão sem precedentes para confirmar que ela é perfeitamente esférica. Uma carga ligeiramente comprimida pode ter indicado desconhecido, partículas pesadas difíceis de detectar na presença do elétron, uma descoberta que poderia ter virado a comunidade global da física.

"Se tivéssemos descoberto que a forma não era redonda, seria a maior manchete da física nas últimas décadas, "disse Gerald Gabrielse, que liderou a pesquisa na Northwestern. "Mas nossa descoberta ainda é cientificamente significativa porque fortalece o modelo padrão da física de partículas e exclui modelos alternativos."

O estudo será publicado em 18 de outubro na revista Natureza . Além de Gabrielse, a pesquisa foi liderada por John Doyle, o professor de física Henry B. Silsbee em Harvard, e David DeMille, professor de física em Yale. O trio lidera a Pesquisa de Momento de Dipolo Elétrico (Advanced Cold Molecule Electron) financiada pela National Science Foundation (NSF).

O modelo padrão sub-padrão

Uma teoria de longa data, o modelo padrão da física de partículas descreve a maioria das forças e partículas fundamentais do universo. O modelo é uma imagem matemática da realidade, e nenhum experimento de laboratório já realizado o contradisse.

Essa falta de contradição confunde os físicos há décadas.

"O modelo padrão, tal como está, não pode estar certo porque não pode prever por que o universo existe, "disse Gabrielse, o Board of Trustees Professor of Physics at Northwestern. "Essa é uma lacuna muito grande."

Gabrielse e seus colegas ACME passaram suas carreiras tentando fechar essa lacuna examinando as previsões do Modelo Padrão e, em seguida, tentando confirmá-las por meio de experimentos de mesa no laboratório.

Tentando "consertar" o Modelo Padrão, muitos modelos alternativos prevêem que a esfera aparentemente uniforme de um elétron é, na verdade, comprimida de forma assimétrica. Um tal modelo, chamado de modelo supersimétrico, postula que desconhecido, partículas subatômicas pesadas influenciam o elétron a alterar sua forma perfeitamente esférica - um fenômeno não comprovado denominado "momento de dipolo elétrico". Estes não descobertos, partículas mais pesadas podem ser responsáveis ​​por alguns dos mistérios mais evidentes do universo e podem explicar por que o universo é feito de matéria em vez de antimatéria.

"Quase todos os modelos alternativos dizem que a carga do elétron pode muito bem ser comprimida, mas não olhamos com sensibilidade suficiente, "disse Gabrielse, o diretor fundador do novo Centro de Física Fundamental da Northwestern. "É por isso que decidimos olhar para lá com uma precisão maior do que antes."

Esmagando as teorias alternativas

A equipe ACME investigou essa questão disparando um feixe de moléculas frias de óxido de tório em uma câmara do tamanho de uma grande mesa. Os pesquisadores então estudaram a luz emitida pelas moléculas. Torcer a luz indicaria um momento de dipolo elétrico. Quando a luz não torceu, a equipe de pesquisa concluiu que a forma do elétron era, na verdade, volta, confirmando a previsão do Modelo Padrão. Nenhuma evidência de um momento de dipolo elétrico significa nenhuma evidência dessas hipotéticas partículas mais pesadas. Se essas partículas existem, suas propriedades diferem daquelas previstas pelos teóricos.

"Nosso resultado diz à comunidade científica que precisamos repensar seriamente algumas das teorias alternativas, "DeMille disse.

Em 2014, a equipe ACME realizou a mesma medição com um aparelho mais simples. Ao usar métodos de laser aprimorados e diferentes frequências de laser, o experimento atual foi uma ordem de magnitude mais sensível do que seu predecessor.

"Se um elétron fosse do tamanho da Terra, poderíamos detectar se o centro da Terra estava fora por uma distância um milhão de vezes menor do que um fio de cabelo humano, "Gabrielse explicou." Esse é o quão sensível nosso aparelho é. "

Gabrielse, DeMille, Doyle e suas equipes planejam continuar ajustando seu instrumento para fazer medições cada vez mais precisas. Até que os pesquisadores encontrem evidências em contrário, a forma redonda do elétron - e os mistérios do universo - permanecerão.

"Sabemos que o modelo padrão está errado, mas parece que não conseguimos encontrar onde está errado. É como um grande romance de mistério, "Gabrielse disse." Devemos ter muito cuidado ao fazer suposições de que estamos cada vez mais perto de resolver o mistério, mas tenho uma esperança considerável de que estejamos nos aproximando desse nível de precisão. "