الإلكترونات مستديرة للغاية ، ولا يسر بعض الفيزيائيين ذلك.
أفاد باحثون في دراسة جديدة أن تجربة جديدة التقطت أكثر التفاصيل تفصيلاً للإلكترونات حتى الآن باستخدام الليزر للكشف عن أدلة على الجزيئات المحيطة بالجسيمات. من خلال إشعال الجزيئات ، تمكن العلماء من تفسير كيفية تغيير الجسيمات دون الذرية الأخرى لتوزيع شحنة الإلكترون.
تشير الاستدارة المتناظرة للإلكترونات إلى أن الجسيمات غير المرئية ليست كبيرة بما يكفي لتحريف الإلكترونات إلى أشكال مستطيلة أو بيضاوية. تؤكد هذه النتائج مرة أخرى نظرية فيزياء طويلة الأمد ، تُعرف بالنموذج القياسي ، والتي تصف كيف تتصرف الجسيمات والقوى في الكون.
في الوقت نفسه ، يمكن لهذا الاكتشاف الجديد أن يقلب العديد من النظريات الفيزيائية البديلة التي تحاول ملء الفراغات حول الظواهر التي لا يمكن للنموذج القياسي تفسيرها. وقال ديفيد ديميل ، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء في جامعة ييل في نيو هافن ، كونيتيكت ، إن هذا يعيد بعض الفيزيائيين الساخطين على الأرجح إلى لوحة الرسم.
وقال ديميل لـ Live Science: "بالتأكيد لن يجعل أي شخص سعيدًا للغاية".
نظرية تم اختبارها جيدًا
لأن الجسيمات دون الذرية لا يمكن ملاحظتها مباشرة حتى الآن ، يتعلم العلماء عن الأشياء من خلال أدلة غير مباشرة. وقال ديميل إنه من خلال ملاحظة ما يحدث في الفراغ حول الإلكترونات ذات الشحنة السالبة - التي يُعتقد أنها تعج بسحب جسيمات لم يتم رؤيتها بعد - يمكن للباحثين إنشاء نماذج لسلوك الجسيمات.
يصف النموذج القياسي معظم التفاعلات بين كل اللبنات الأساسية للمادة ، بالإضافة إلى القوى التي تعمل على هذه الجسيمات. على مدى عقود ، تنبأت هذه النظرية بنجاح بكيفية تصرف المادة.
ومع ذلك ، هناك بعض الاستثناءات المزعجة للنجاح التوضيحي للنموذج. لا يفسر النموذج القياسي المادة المظلمة ، وهي مادة غامضة وغير مرئية تمارس قوة جاذبية ، لكنها لا تنبعث منها أي ضوء. ووفقًا للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) ، فإن النموذج لا يراعي الجاذبية إلى جانب القوى الأساسية الأخرى التي تؤثر على المادة.
تقدم نظريات الفيزياء البديلة إجابات عندما يكون النموذج القياسي قصيرًا. يتنبأ النموذج القياسي بأن الجسيمات المحيطة بالإلكترونات تؤثر بالفعل على شكل الإلكترون ، ولكن على نطاق متناهي الصغر بحيث لا يمكن اكتشافه باستخدام التكنولوجيا الحالية. لكن نظريات أخرى تشير إلى وجود جزيئات ثقيلة لم يتم اكتشافها حتى الآن. على سبيل المثال ، يفترض النموذج القياسي الفائق التناظر أن كل جسيم في النموذج القياسي لديه شريك مضاد. قال مؤلفو الدراسة الجديدة إن تلك الجسيمات الافتراضية ذات الوزن الثقيل من شأنها أن تشوه الإلكترونات إلى درجة يمكن للباحثين ملاحظتها.
إلكترونات مضيئة
لاختبار تلك التنبؤات ، ظهرت تجارب جديدة في الإلكترونات بدقة أعلى بعشر مرات من الجهود السابقة ، اكتملت في عام 2014 ؛ تم إجراء كلا الاستقصائيين من خلال المشروع البحثي المتقدم للبحث عن الجزيء البارد الإلكتروني ثنائي القطب الكهربائي (ACME).
سعى الباحثون لظاهرة مراوغة (وغير مثبتة) تسمى لحظة ثنائي القطب الكهربائي ، حيث يظهر شكل كروي للإلكترون مشوهًا - "ينحرف من جهة وينتفخ من جهة أخرى ،" يشرح ديميل - بسبب الجزيئات الثقيلة التي تؤثر على شحنة الإلكترون.
قال DeMille إن هذه الجسيمات ستكون "العديد من الطلبات من حيث الحجم أكبر" من الجسيمات التي تنبأ بها النموذج القياسي ، "لذا فهي طريقة واضحة جدًا لمعرفة ما إذا كان هناك شيء جديد يحدث خارج النموذج القياسي".
بالنسبة للدراسة الجديدة ، قام باحثو ACME بتوجيه شعاع من جزيئات أكسيد الثوريوم البارد بمعدل مليون لكل نبضة ، 50 مرة في الثانية ، إلى غرفة صغيرة نسبيًا في الطابق السفلي في جامعة هارفارد. قام العلماء بتقطيع الجزيئات بالليزر ودرسوا الضوء المنعكس بواسطة الجزيئات. تشير الانحناءات في الضوء إلى لحظة ثنائي القطب الكهربائي.
وقال الباحثون إنه لم يكن هناك أي انحرافات في الضوء المنعكس ، وهذه النتيجة تلقي بظلال قاتمة على نظريات الفيزياء التي تنبأت بالجسيمات الثقيلة حول الإلكترونات. وقال ديميل في بيان إن هذه الجسيمات ربما لا تزال موجودة ، لكنها ستكون مختلفة تمامًا عما وصفت في النظريات الموجودة.
وقال ديميل: "نتائجنا تخبر المجتمع العلمي أننا بحاجة إلى إعادة التفكير بجدية في بعض النظريات البديلة".
الاكتشافات المظلمة
وقال ديميل إنه بينما قيمت هذه التجربة سلوك الجسيمات حول الإلكترونات ، إلا أنها توفر أيضًا آثارًا مهمة للبحث عن المادة المظلمة. مثل الجسيمات دون الذرية ، لا يمكن ملاحظة المادة المظلمة مباشرة. لكن علماء الفيزياء الفلكية يعرفون أنها موجودة ، لأنهم لاحظوا تأثيرها الثقالي على النجوم والكواكب والضوء.
قال دميل: "يشبهنا كثيرًا ، في قلب حيث تنبأت العديد من النظريات - لفترة طويلة ولأسباب جيدة جدًا - يجب أن تظهر إشارة". "ومع ذلك ، فهم لا يرون أي شيء ، ولا نرى أي شيء."
لم يتم بعد رصد كل من المادة المظلمة والجسيمات دون الذرية الجديدة التي لم يتنبأ بها النموذج القياسي ؛ ومع ذلك ، تشير مجموعة متزايدة من الأدلة الدامغة إلى أن هذه الظواهر موجودة بالفعل. ولكن قبل أن يتمكن العلماء من العثور عليها ، ربما تحتاج بعض الأفكار القديمة حول شكلها إلى إلغائها ، حسبما أضاف ديميل.
وقال "التوقعات بشأن الجسيمات الجديدة تبدو أكثر فأكثر وكأنها كانت خاطئة."
تم نشر النتائج على الإنترنت اليوم (17 أكتوبر) في مجلة Nature.
