Les électrons sont extrêmement ronds et certains physiciens n'en sont pas satisfaits.
Une nouvelle expérience a capturé la vue la plus détaillée des électrons à ce jour, en utilisant des lasers pour révéler des preuves de particules entourant les particules, ont rapporté des chercheurs dans une nouvelle étude. En éclairant des molécules, les scientifiques ont pu interpréter comment d'autres particules subatomiques modifient la distribution de la charge d'un électron.
La rondeur symétrique des électrons suggère que les particules invisibles ne sont pas assez grosses pour incliner les électrons dans des formes oblongues écrasées ou ovales. Ces résultats confirment une fois de plus une théorie de la physique de longue date, connue sous le nom de modèle standard, qui décrit le comportement des particules et des forces dans l'univers.
Dans le même temps, cette nouvelle découverte pourrait renverser plusieurs théories de la physique alternative qui tentent de combler les blancs sur les phénomènes que le modèle standard ne peut expliquer. Cela renvoie certains physiciens probablement très mécontents à la table à dessin, a déclaré le co-auteur de l'étude, David DeMille, professeur au Département de physique de l'Université de Yale à New Haven, Connecticut.
"Cela ne rendra certainement personne très heureux", a déclaré DeMille à Live Science.
Une théorie éprouvée
Parce que les particules subatomiques ne peuvent pas encore être directement observées, les scientifiques apprennent à connaître les objets grâce à des preuves indirectes. En observant ce qui se passe dans le vide autour des électrons chargés négativement - on pense qu'ils fourmillent de nuages de particules encore inconnues - les chercheurs peuvent créer des modèles de comportement des particules, a déclaré DeMille.
Le modèle standard décrit la plupart des interactions entre tous les éléments constitutifs de la matière, ainsi que les forces qui agissent sur ces particules. Pendant des décennies, cette théorie a prédit avec succès le comportement de la matière.
Cependant, il existe quelques exceptions persistantes au succès explicatif du modèle. Le modèle standard n'explique pas la matière noire, une substance mystérieuse et invisible qui exerce une attraction gravitationnelle, mais n'émet pas de lumière. Et le modèle ne tient pas compte de la gravité aux côtés des autres forces fondamentales qui influencent la matière, selon l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN).
Les théories de la physique alternative offrent des réponses là où le modèle standard échoue. Le modèle standard prédit que les particules entourant les électrons affectent la forme d'un électron, mais à une échelle infinitésimale au point d'être pratiquement indétectable à l'aide de la technologie existante. Mais d'autres théories suggèrent qu'il existe des particules lourdes encore inconnues. Par exemple, le modèle standard supersymétrique suppose que chaque particule du modèle standard a un partenaire antimatière. Ces hypothétiques particules lourdes déformeraient les électrons à un degré que les chercheurs devraient pouvoir observer, ont déclaré les auteurs de la nouvelle étude.
Éclairage des électrons
Pour tester ces prédictions, de nouvelles expériences ont examiné les électrons à une résolution 10 fois supérieure aux efforts précédents, achevées en 2014; les deux investigations ont été menées par le projet de recherche Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Les chercheurs ont recherché un phénomène insaisissable (et non prouvé) appelé le moment dipolaire électrique, dans lequel la forme sphérique d'un électron semble déformée - "bosselée à une extrémité et bombée à l'autre", a expliqué DeMille - en raison de particules lourdes influençant la charge de l'électron.
Ces particules seraient "beaucoup, beaucoup plus importantes" que les particules prédites par le modèle standard, "c'est donc un moyen très clair de savoir s'il se passe quelque chose de nouveau au-delà du modèle standard", a déclaré DeMille.
Pour la nouvelle étude, les chercheurs de l'ACME ont dirigé un faisceau de molécules froides d'oxyde de thorium à un rythme de 1 million par impulsion, 50 fois par seconde, dans une chambre relativement petite dans un sous-sol à l'Université Harvard. Les scientifiques ont zappé les molécules avec des lasers et ont étudié la lumière réfléchie par les molécules; les virages à la lumière indiqueraient un moment dipolaire électrique.
Mais il n'y avait pas de torsions dans la lumière réfléchie, et ce résultat jette une ombre sombre sur les théories de la physique qui prédisaient les particules lourdes autour des électrons, ont déclaré les chercheurs. Ces particules pourraient encore exister, mais elles seraient très différentes de la façon dont elles ont été décrites dans les théories existantes, a déclaré DeMille dans un communiqué.
"Notre résultat indique à la communauté scientifique que nous devons repenser sérieusement certaines des théories alternatives", a déclaré DeMille.
Découvertes obscures
Bien que cette expérience ait évalué le comportement des particules autour des électrons, elle fournit également des implications importantes pour la recherche de matière noire, a déclaré DeMille. Comme les particules subatomiques, la matière noire ne peut pas être directement observée. Mais les astrophysiciens savent que c'est là, car ils ont observé son impact gravitationnel sur les étoiles, les planètes et la lumière.
"Tout comme nous, nous regardons au cœur de la prédiction de nombreuses théories - depuis longtemps et pour de très bonnes raisons - un signal devrait apparaître", a déclaré DeMille. "Et pourtant, ils ne voient rien, et nous ne voyons rien."
La matière noire et les nouvelles particules subatomiques qui n'avaient pas été prédites par le modèle standard doivent encore être repérées directement; Pourtant, un nombre croissant de preuves convaincantes suggère que ces phénomènes existent. Mais avant que les scientifiques ne puissent les trouver, certaines idées de longue date sur leur apparence devront probablement être abandonnées, a ajouté DeMille.
"Les attentes concernant les nouvelles particules semblent de plus en plus avoir été fausses", a-t-il déclaré.
Les résultats ont été publiés en ligne aujourd'hui (17 octobre) dans la revue Nature.
