Los electrones son extremadamente redondos, y algunos físicos no están contentos con eso.
Un nuevo experimento capturó la vista más detallada de los electrones hasta la fecha, utilizando láseres para revelar evidencia de partículas que rodean las partículas, informaron los investigadores en un nuevo estudio. Al iluminar las moléculas, los científicos pudieron interpretar cómo otras partículas subatómicas alteran la distribución de la carga de un electrón.
La redondez simétrica de los electrones sugiere que las partículas invisibles no son lo suficientemente grandes como para sesgar los electrones en formas oblongas aplastadas u ovales. Estos hallazgos confirman una vez más una antigua teoría de la física, conocida como el Modelo Estándar, que describe cómo se comportan las partículas y las fuerzas en el universo.
Al mismo tiempo, este nuevo descubrimiento podría anular varias teorías físicas alternativas que intentan llenar los espacios en blanco sobre fenómenos que el Modelo Estándar no puede explicar. Esto envía a algunos físicos probablemente muy descontentos a la mesa de dibujo, dijo el coautor del estudio David DeMille, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut.
"Ciertamente no va a hacer feliz a nadie", dijo DeMille a Live Science.
Una teoría bien probada
Debido a que las partículas subatómicas aún no se pueden observar directamente, los científicos aprenden sobre los objetos a través de evidencia indirecta. Al observar lo que sucede en el vacío alrededor de los electrones cargados negativamente, que se cree que están repletos de nubes de partículas aún no vistas, los investigadores pueden crear modelos de comportamiento de partículas, dijo DeMille.
El modelo estándar describe la mayoría de las interacciones entre todos los componentes básicos de la materia, así como las fuerzas que actúan sobre esas partículas. Durante décadas, esta teoría ha predicho con éxito cómo se comporta la materia.
Sin embargo, hay algunas excepciones molestas para el éxito explicativo del modelo. El modelo estándar no explica la materia oscura, una sustancia misteriosa e invisible que ejerce una atracción gravitacional, pero no emite luz. Y el modelo no tiene en cuenta la gravedad junto con otras fuerzas fundamentales que influyen en la materia, según la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).
Las teorías de la física alternativa ofrecen respuestas en las que el modelo estándar se queda corto. El Modelo Estándar predice que las partículas que rodean a los electrones sí afectan la forma de un electrón, pero a una escala tan infinitesimal que puede ser prácticamente indetectable usando la tecnología existente. Pero otras teorías insinúan que hay partículas pesadas aún por descubrir. Por ejemplo, el Modelo Estándar Supersimétrico postula que cada partícula en el Modelo Estándar tiene un compañero antimateria. Esas hipotéticas partículas de peso pesado deformarían los electrones en un grado que los investigadores deberían poder observar, dijeron los autores del nuevo estudio.
Electrones iluminantes
Para probar esas predicciones, nuevos experimentos observaron los electrones con una resolución 10 veces mayor que los esfuerzos anteriores, completados en 2014; ambas investigaciones fueron realizadas por el proyecto de investigación Advanced Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Los investigadores buscaron un fenómeno elusivo (y no probado) llamado momento dipolar eléctrico, en el que la forma esférica de un electrón parece deformada, "abollada en un extremo y abultada en el otro", explicó DeMille, debido a las partículas pesadas que influyen en la carga del electrón.
Estas partículas serían "muchos, muchos órdenes de magnitud más grandes" que las partículas predichas por el Modelo Estándar, "por lo que es una forma muy clara de saber si está ocurriendo algo nuevo más allá del Modelo Estándar", dijo DeMille.
Para el nuevo estudio, los investigadores de ACME dirigieron un haz de moléculas frías de óxido de torio a una velocidad de 1 millón por pulso, 50 veces por segundo, a una cámara relativamente pequeña en un sótano de la Universidad de Harvard. Los científicos destruyeron las moléculas con láser y estudiaron la luz reflejada por las moléculas; las curvas a la luz apuntarían a un momento dipolar eléctrico.
Pero no hubo giros en la luz reflejada, y este resultado arroja una sombra oscura sobre las teorías físicas que predecían partículas pesadas alrededor de los electrones, dijeron los investigadores. Esas partículas aún pueden existir, pero serían muy diferentes de cómo se han descrito en las teorías existentes, dijo DeMille en un comunicado.
"Nuestro resultado le dice a la comunidad científica que necesitamos repensar seriamente algunas de las teorías alternativas", dijo DeMille.
Descubrimientos oscuros
Si bien este experimento evaluó el comportamiento de las partículas alrededor de los electrones, también proporciona implicaciones importantes para la búsqueda de materia oscura, dijo DeMille. Al igual que las partículas subatómicas, la materia oscura no se puede observar directamente. Pero los astrofísicos saben que está allí, porque han observado su impacto gravitacional en las estrellas, los planetas y la luz.
"Al igual que nosotros, estamos viendo en el corazón de donde muchas teorías han estado prediciendo, durante mucho tiempo y por muy buenas razones, debería aparecer una señal", dijo DeMille. "Y, sin embargo, no están viendo nada, y nosotros no estamos viendo nada".
Tanto la materia oscura como las nuevas partículas subatómicas que no fueron predichas por el Modelo Estándar aún no se han detectado directamente; aun así, un creciente cuerpo de evidencia convincente sugiere que estos fenómenos existen. Pero antes de que los científicos puedan encontrarlos, algunas ideas de larga data sobre cómo se verán probablemente deban descartarse, agregó DeMille.
"Las expectativas sobre nuevas partículas se ven cada vez más como si hubieran estado equivocadas", dijo.
Los hallazgos se publicaron en línea hoy (17 de octubre) en la revista Nature.
