Các electron rất tròn và một số nhà vật lý không hài lòng về nó.
Một thí nghiệm mới đã thu được cái nhìn chi tiết nhất về các điện tử cho đến nay, sử dụng tia laser để tiết lộ bằng chứng về các hạt xung quanh các hạt, các nhà nghiên cứu báo cáo trong một nghiên cứu mới. Bằng cách thắp sáng các phân tử, các nhà khoa học đã có thể giải thích làm thế nào các hạt hạ nguyên tử khác thay đổi sự phân bố điện tích của electron.
Độ tròn đối xứng của các điện tử cho thấy các hạt không nhìn thấy không đủ lớn để xiên các electron thành hình dạng thuôn dài hoặc hình bầu dục. Những phát hiện này một lần nữa khẳng định một lý thuyết vật lý lâu đời, được gọi là Mô hình Chuẩn, mô tả cách các hạt và lực trong vũ trụ hành xử.
Đồng thời, khám phá mới này có thể đảo ngược một số lý thuyết vật lý thay thế cố gắng điền vào chỗ trống về các hiện tượng mà Mô hình Chuẩn không thể giải thích. Điều này khiến một số nhà vật lý rất bất mãn trở lại bảng vẽ, đồng tác giả nghiên cứu David DeMille, giáo sư khoa Vật lý tại Đại học Yale ở New Haven, Connecticut cho biết.
"Nó chắc chắn sẽ không làm cho bất cứ ai rất hạnh phúc", DeMille nói với Live Science.
Một lý thuyết được thử nghiệm tốt
Do các hạt hạ nguyên tử chưa thể được quan sát trực tiếp, các nhà khoa học tìm hiểu về các vật thể thông qua các bằng chứng gián tiếp. Bằng cách quan sát những gì xảy ra trong chân không xung quanh các electron tích điện âm - được cho là đang tràn ngập những đám mây của các hạt chưa được nhìn thấy - các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các mô hình về hành vi hạt, DeMille nói.
Mô hình Chuẩn mô tả hầu hết các tương tác giữa tất cả các khối xây dựng của vật chất, cũng như các lực tác động lên các hạt đó. Trong nhiều thập kỷ, lý thuyết này đã dự đoán thành công cách thức vật chất hành xử.
Tuy nhiên, có một vài ngoại lệ dai dẳng đối với thành công giải thích của mô hình. Mô hình Chuẩn không giải thích được vật chất tối, một chất bí ẩn và vô hình có tác dụng lực hấp dẫn, nhưng không phát ra ánh sáng. Và mô hình này không tính đến lực hấp dẫn cùng với các lực cơ bản khác ảnh hưởng đến vật chất, theo Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN).
Các lý thuyết vật lý thay thế đưa ra câu trả lời trong đó Mô hình Chuẩn bị thiếu. Mô hình Chuẩn dự đoán rằng các hạt xung quanh các điện tử có ảnh hưởng đến hình dạng của điện tử, nhưng ở quy mô cực kỳ nhỏ đến mức không thể phát hiện được bằng cách sử dụng công nghệ hiện có. Nhưng các lý thuyết khác gợi ý rằng có những hạt nặng chưa được phát hiện. Ví dụ, Mô hình chuẩn siêu đối xứng cho rằng mọi hạt trong Mô hình chuẩn đều có đối tác phản vật chất. Các hạt nặng giả thuyết đó sẽ làm biến dạng các điện tử đến một mức độ mà các nhà nghiên cứu có thể quan sát được, các tác giả của nghiên cứu mới cho biết.
Đèn điện tử chiếu sáng
Để kiểm tra những dự đoán đó, các thí nghiệm mới đã nhìn vào các electron ở độ phân giải lớn hơn 10 lần so với những nỗ lực trước đó, hoàn thành vào năm 2014; cả hai cuộc điều tra đều được thực hiện bởi dự án nghiên cứu Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm một hiện tượng khó nắm bắt (và chưa được chứng minh) được gọi là mômen lưỡng cực điện, trong đó hình dạng hình cầu của electron có vẻ bị biến dạng - "bị móp ở một đầu và phình ra ở đầu kia", DeMille giải thích - vì các hạt nặng ảnh hưởng đến điện tích của electron.
Các hạt này sẽ là "nhiều, nhiều bậc lớn hơn" so với các hạt được Mô hình Chuẩn dự đoán, "vì vậy đây là một cách rất rõ ràng để biết liệu có điều gì mới xảy ra ngoài Mô hình Chuẩn hay không", DeMille nói.
Đối với nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu ACME đã hướng một chùm các phân tử thorium-oxide lạnh với tốc độ 1 triệu mỗi xung, 50 lần mỗi giây, vào một buồng tương đối nhỏ trong tầng hầm tại Đại học Harvard. Các nhà khoa học đã bắn các phân tử bằng laser và nghiên cứu ánh sáng phản xạ lại bởi các phân tử; uốn cong trong ánh sáng sẽ chỉ đến một khoảnh khắc lưỡng cực điện.
Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết không có sự xoắn trong ánh sáng phản xạ và kết quả này tạo ra một bóng tối trên các lý thuyết vật lý dự đoán các hạt nặng xung quanh các điện tử, các nhà nghiên cứu cho biết. Những hạt đó vẫn có thể tồn tại, nhưng chúng sẽ rất khác so với cách chúng được mô tả trong các lý thuyết hiện có, DeMille nói trong một tuyên bố.
"Kết quả của chúng tôi nói với cộng đồng khoa học rằng chúng ta cần nghiêm túc suy nghĩ lại về một số lý thuyết thay thế", DeMille nói.
Những khám phá đen tối
Trong khi thí nghiệm này đánh giá hành vi của hạt xung quanh các electron, nó cũng cung cấp ý nghĩa quan trọng cho việc tìm kiếm vật chất tối, DeMille nói. Giống như các hạt hạ nguyên tử, vật chất tối không thể quan sát trực tiếp. Nhưng các nhà vật lý thiên văn biết nó ở đó, bởi vì họ đã quan sát thấy tác động hấp dẫn của nó lên các ngôi sao, hành tinh và ánh sáng.
"Giống như chúng tôi, đang tìm kiếm ở trung tâm nơi có nhiều lý thuyết đã được dự đoán - trong một thời gian dài và vì những lý do rất chính đáng - một tín hiệu sẽ xuất hiện", DeMille nói. "Tuy nhiên, họ không nhìn thấy gì, và chúng tôi không thấy gì cả."
Cả vật chất tối và các hạt hạ nguyên tử mới mà Mô hình Chuẩn không dự đoán vẫn chưa được phát hiện trực tiếp; Tuy nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng thuyết phục cho thấy những hiện tượng này tồn tại. Nhưng trước khi các nhà khoa học có thể tìm thấy chúng, một số ý tưởng lâu đời về những gì chúng trông giống như có thể sẽ cần phải được loại bỏ, DeMille nói thêm.
"Kỳ vọng về các hạt mới đang ngày càng giống như chúng đã sai", ông nói.
Những phát hiện được công bố trực tuyến hôm nay (17/10) trên tạp chí Nature.
