Elektroner är helt runda, och vissa fysiker är inte nöjda med detta.
Det nya experimentet tog de mest detaljerade bilderna av elektroner hittills. Forskare har använt lasrar för att upptäcka bevis på partiklar som omger partiklarna. Genom att tända molekyler kunde forskarna förstå hur subatomära partiklar förändrar distributionen av en elektrons laddning.
Elektronernas symmetriska cirkulära form antyder att de osynliga partiklarna inte är tillräckligt stora för att ändra formen på elektronerna till ovala. Resultaten från studien bekräftar en gammal fysisk teori som kallas Standardmodellen, som beskriver hur partiklar och krafter i universum beter sig.
Och samtidigt kan den nya upptäckten vända flera teorier om alternativ fysik som försöker hitta saknad information om fenomen som standardmodellen inte kan förklara.
Eftersom subatomära partiklar inte kan observeras direkt, lär sig forskare om dem genom omständigheter. Genom att observera vad som händer i ett vakuum kring negativt laddade elektroner som tros vara omgiven av moln av ännu osynliga partiklar kan forskare skapa modeller för subatoms beteende.
Standardmodellen beskriver växelverkan mellan alla materialens byggstenar och krafterna som verkar på subatomära partiklar. I årtionden har denna teori framgångsrikt förutsett hur materien kommer att bete sig.
Det finns dock flera punkter som modellen inte kan förklara. Till exempel mörk materia, ett mystiskt och osynligt ämne som kan attrahera gravitation, men inte avger ljus. Modellen förklarar inte heller allvar, liksom andra grundläggande krafter som påverkar materien.
Alternativa fysikteorier erbjuder svar där standardmodellen misslyckas. Standardmodellen förutspår att partiklarna som omger en elektron påverkar dess form, men i en så oändlig skala att det nästan är omöjligt att upptäcka med befintlig teknik.
Kampanjvideo:
Men andra teorier säger att det fortfarande finns uppenbara tunga partiklar. Till exempel säger den supersymmetriska standardmodellen att varje partikel i standardmodellen har en antimatterpartner. Dessa hypotetiska tunga partiklar kan deformera elektroner till den punkt som forskare kan se. För att testa dessa förutsägelser tittade det nya experimentet på elektroner på 10 gånger upplösningen från ett tidigare försök 2014.
Forskare letade efter ett svårfångat och oprovokerat fenomen som kallas den elektriska dipolmomentet, där den elektroniska sfäriska formen verkar vara deformerad - "krossad i ena änden och konvex i den andra," förklarar DeMille. Denna form bör vara en konsekvens av påverkan av tunga partiklar på elektronladdningen.
Dessa partiklar skulle vara "många, många storleksordningar starkare" än de partiklar som förutses av standardmodellen, så det skulle vara "ett tvingande sätt att bevisa om något händer utanför standardmodellens förklaringar," säger DeMille.
För den nya studien använde forskarna strålar med kalla toriumoxidmolekyler med en hastighet av 1 miljon per puls 50 gånger per sekund i en relativt liten kammare i källaren på Harvard University. Forskare sköt laser mot molekyler och studerade hur ljus skulle reflekteras från dem; refraktion i ljus skulle indikera ett elektriskt dipolmoment.
Men det fanns ingen snedvridning i reflekterat ljus, och detta resultat ställer tvivel om fysiska teorier som förutsäger tunga partiklar som svärmar runt elektroner. Dessa partiklar kan existera, men kommer sannolikt att skilja sig från vad som beskrivs i befintliga teorier.
"Vårt resultat berättar för den vetenskapliga gemenskapen att allvarligt ompröva alternativa teorier," säger DeMille.
Medan experimentet utvärderade partiklarnas beteende kring elektroner gav det också viktig insikt för sökandet efter mörkt material. Liksom subatomära partiklar kan mörk substans inte observeras direkt. Men astrofysiker vet att det existerar eftersom de har observerat dess gravitationspåverkan på stjärnor, planeter och ljus.
"Liksom oss ser astrofysiker till var många teorier har förutspått en signal," säger DeMille. "Och medan de inte ser någonting, och vi ser ingenting."
Både mörk materia och nya subatomära partiklar som standardmodellen inte förutspådde återstår att se direkt; ändå en växande grupp av avgörande bevis tyder på att dessa fenomen finns. Men innan forskare hittar dem är det förmodligen värt att kassera några gamla teorier.
"Förutsägelser om hur subatomära partiklar ser ut ser allt otroliga ut," säger DeMille.
