Gli elettroni sono arrotondati?

Un nuovo esperimento è riuscito a catturare la vista più dettagliata degli elettroni fino ad oggi utilizzando dei laser per rivelare l'evidenza di particelle che circondano altre particelle.

Immagine - Rappresentazione artistica di un elettrone che viaggia attraverso 2 laser durante un esperimento. L'elettrone ruota attorno al suo asse, nel frattempo altre particelle subatomiche vengono costantemente emesse e riassorbite. Credit: Nicolle R. Fuller, NSF

Illuminando le molecole gli scienziati sono stati in grado di interpretare in che modo le altre particelle subatomiche alterano la distribuzione di una carica di elettroni.

La sfericità simmetrica degli elettroni starebbe ad indicare che le particelle invisibili non sono abbastanza grandi da inclinare gli elettroni in forme oblunghe schiacciate oppure ovali.
 

Una conferma del Modello Standard?

Questi risultati confermerebbero ancora una volta la vecchia teoria della fisica conosciuta con il nome di modello standard, tale teoria descrive come si comportano le particelle e le forze nell'Universo.

Allo stesso tempo questa nuova scoperta ribalterebbe diverse teorie della fisica alternative che tentano di colmare gli spazi vuoti dei fenomeni che il modello standard non è in grado di spiegare. «Questo probabilmente non farà piacere ad alcuni fisici» scrive uno dei coautori dello studio David DeMille, ricercatore nonché professore presso il dipartimento di fisica presso la Yale University, New Haven, Connecticut, USA.
 

Una teoria ben collaudata (il Modello Standard)

Poiché le particelle subatomiche devono ancora essere osservate direttamente, gli scienziati cercano di imparare a conoscere gli oggetti attraverso prove indirette. Osservando ciò che accade nel "vuoto" intorno agli elettroni caricati negativamente (secondo gli scienziati il "vuoto" dovrebbe essere brulicante di nuvole di particelle mai viste fino ad ora) i ricercatori possono creare dei modelli di comportamento delle particelle, scrive DeMille.

Il modello standard descrive la maggior parte delle interazioni tra tutti i mattoni della materia come le forze che agiscono su tali particelle. Negli ultimi decenni questa teoria ha predetto con successo il comportamento della materia.

Tuttavia ci sono alcuni punti controversi all'interno del Modello Standard. Ad esempio il Modello Standard non spiega la materia oscura, una sostanza misteriosa e invisibile che esercita una forza gravitazionale ma non emette luce. Il modello inoltre non tiene in considerazione la forza di gravità affianco alle altre forze fondamentali che influenzano la materia secondo il Cern (l'organizzazione Europea per la ricerca nucleare).

Altre teorie della fisica offrono risposte che il modello standard non riesce a fornire. Il Modello Standard prevede che le particelle che circondano gli elettroni incidano sulla forma di un elettrone, ma ad una scala così infinitesimale da essere praticamente non rilevabile attraverso la tecnologia esistente. Ma altre teorie ipotizzano l'esistenza di particelle pesanti non ancora scoperte.

Ad esempio il Modello Standard supersimmetrico ipotizza che ad ogni particella nel Modello Standard sia abbinata una particella dell'antimateria. Tali ipotetiche particelle pesanti potrebbero deformare gli elettroni in modo tale che i ricercatori dovrebbero essere in grado di osservarli.
 

Illuminare gli elettroni

Per verificare tali ipotesi sono stati condotti nuovi esperimenti che hanno provato a vedere gli elettroni con una risoluzione 10 volte maggiore rispetto ad alcuni esperimenti completati nel 2014, entrambe le indagini sono state svolte tramite il progetto di ricerca Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).

I ricercatori hanno cercato un fenomeno elusivo (non provato) chiamato momento di dipolo elettrico in cui la forma sferica di un elettrone appare deformata "ammaccata ad un'estremità e gonfiata sull'altra" scrive DeMille. Questo perché le particelle pesanti influenzerebbero la carica di un elettrone.

Queste particelle potrebbero essere superiori di "molti, molti ordini di grandezza" rispetto alle particelle previste dal Modello Standard, «così potremmo essere di fronte ad un modo molto più chiaro per dire se c'è qualcosa di nuovo che sta accadendo che va oltre il modello standard» prosegue DeMille.
 

Cosa è stato fatto in laboratorio?

Per il nuovo studio i ricercatori dell'ACME hanno diretto un fascio di molecole fredde di ossido di torio con un tasso di un milione per impulso con una frequenza di 50 volte al secondo in una camera relativamente piccola al di sotto del piano stradale dell'università di Harvard.

Gli scienziati hanno colpito le molecole con i laser ed hanno studiato la luce riflessa da tali molecole; la curvatura nella luce potrebbe state ad indicare un momento di dipolo elettrico.

Ma non sono state rilevate curvature nella luce riflessa, questo risultato getta un'ombra sulle teorie della fisica che hanno predetto l'esistenza di particelle pesanti intorno agli elettroni - scrivono i ricercatori. Queste particelle potrebbero ancora esistere ma potrebbero essere molto differenti da come sono state scritte nelle teorie esistenti, scrive DeMille.
«I nostri risultati stanno ad indicare che come comunità scientifica abbiamo bisogno di riconsiderare seriamente alcune delle teorie alternative« prosegue DeMille.

Scoperte Oscure

Questo esperimento ha tentato di valutare il comportamento delle particelle intorno agli elettroni e ha inoltre fornito implicazioni importanti per quanto riguarda la ricerca della materia oscura, scrive DeMille. Come per le particelle subatomiche anche la materia oscura non può essere osservata direttamente. Ma gli astrofisici sanno che si trova lì perché hanno osservato l'impatto gravitazionale della materia oscura sulle stelle, sui pianeti e sulla luce.

Sia la materia oscura sia le nuove particelle subatomiche che non sono state predette dal Modello Standard devono ancora essere osservate direttamente. Stanno aumentando gli indizi che sembrano suggerire l'esistenza di tali fenomeni. Ma prima che ciò accada alcune idee di vecchia data ancora in circolazione dovranno probabilmente essere eliminate, scrive DeMille.

Lo studio "Improved limit on the electric dipole moment of the electron" è stato pubblicato sulla rivista Nature.