Elektron sangat bulat, dan beberapa fisikawan tidak senang karenanya.
Eksperimen baru menangkap pandangan terinci dari elektron hingga saat ini, menggunakan laser untuk mengungkap bukti partikel di sekitar partikel, para peneliti melaporkan dalam sebuah studi baru. Dengan menerangi molekul, para ilmuwan dapat menafsirkan bagaimana partikel subatomik lainnya mengubah distribusi muatan elektron.
Kebulatan simetris elektron menunjukkan bahwa partikel yang tidak terlihat tidak cukup besar untuk memiringkan elektron menjadi bentuk lonjong, atau oval. Temuan ini sekali lagi mengkonfirmasi teori fisika lama, yang dikenal sebagai Model Standar, yang menggambarkan bagaimana partikel dan kekuatan di alam semesta berperilaku.
Pada saat yang sama, penemuan baru ini dapat membalik beberapa teori fisika alternatif yang berupaya mengisi kekosongan tentang fenomena yang tidak dapat dijelaskan oleh Model Standar. Ini mengirimkan beberapa fisikawan yang mungkin sangat tidak puas kembali ke papan gambar, kata rekan penulis studi David DeMille, seorang profesor di Departemen Fisika di Universitas Yale di New Haven, Connecticut.
"Ini tentu tidak akan membuat siapa pun sangat bahagia," kata DeMille kepada Live Science.
Teori yang sudah teruji
Karena partikel subatomik belum dapat diamati secara langsung, para ilmuwan belajar tentang benda-benda melalui bukti tidak langsung. Dengan mengamati apa yang terjadi dalam ruang hampa di sekitar elektron bermuatan negatif - diperkirakan dipenuhi dengan awan partikel yang belum terlihat - peneliti dapat membuat model perilaku partikel, kata DeMille.
Model Standar menggambarkan sebagian besar interaksi antara semua blok bangunan materi, serta gaya yang bekerja pada partikel-partikel itu. Selama beberapa dekade, teori ini telah berhasil memprediksi bagaimana materi berperilaku.
Namun, ada beberapa pengecualian yang mengganggu keberhasilan model penjelas. Model Standar tidak menjelaskan materi gelap, zat misterius dan tak terlihat yang memberikan tarikan gravitasi, namun tidak memancarkan cahaya. Dan model itu tidak memperhitungkan gravitasi di samping kekuatan fundamental lain yang memengaruhi materi, menurut Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir (CERN).
Teori fisika alternatif menawarkan jawaban ketika Model Standar gagal. Model Standar memprediksi bahwa partikel di sekitar elektron memang memengaruhi bentuk elektron, tetapi pada skala yang sangat kecil sehingga tidak terdeteksi dengan menggunakan teknologi yang ada. Tetapi teori lain mengisyaratkan bahwa ada partikel-partikel berat yang belum ditemukan. Sebagai contoh, Model Standar Supersymmetric berpendapat bahwa setiap partikel dalam Model Standar memiliki mitra antimateri. Partikel-partikel kelas berat hipotetis itu akan merusak elektron hingga tingkat yang seharusnya bisa diamati oleh para peneliti, kata para penulis studi baru itu.
Elektron menerangi
Untuk menguji prediksi tersebut, percobaan baru mengintip elektron pada resolusi 10 kali lebih besar dari upaya sebelumnya, selesai pada 2014; kedua investigasi tersebut dilakukan oleh proyek penelitian Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).
Para peneliti mencari fenomena yang sulit dipahami (dan belum terbukti) yang disebut momen dipol listrik, di mana bentuk bola elektron tampak berubah bentuk - "penyok di satu ujung dan menggembung di sisi lain," DeMille menjelaskan - karena partikel berat mempengaruhi muatan elektron.
Partikel-partikel ini akan menjadi "banyak, banyak ordo yang lebih besar" daripada partikel yang diprediksi oleh Model Standar, "jadi ini adalah cara yang sangat jelas untuk mengetahui apakah ada sesuatu yang baru terjadi di luar Model Standar," kata DeMille.
Untuk studi baru, para peneliti ACME mengarahkan seberkas molekul torium-oksida dingin pada kecepatan 1 juta per pulsa, 50 kali per detik, ke dalam ruangan yang relatif kecil di ruang bawah tanah di Universitas Harvard. Para ilmuwan menabrak molekul dengan laser dan mempelajari cahaya yang dipantulkan kembali oleh molekul; membungkuk dalam cahaya akan mengarah ke momen dipol listrik.
Tetapi tidak ada tikungan dalam cahaya yang dipantulkan, dan hasil ini melemparkan bayangan gelap atas teori fisika yang meramalkan partikel-partikel berat di sekitar elektron, kata para peneliti. Partikel-partikel itu mungkin masih ada, tetapi mereka akan sangat berbeda dari bagaimana mereka telah dijelaskan dalam teori yang ada, kata DeMille dalam sebuah pernyataan.
"Hasil kami memberi tahu komunitas ilmiah bahwa kami perlu memikirkan kembali secara serius beberapa teori alternatif," kata DeMille.
Penemuan gelap
Sementara percobaan ini mengevaluasi perilaku partikel di sekitar elektron, itu juga memberikan implikasi penting untuk pencarian materi gelap, kata DeMille. Seperti partikel subatomik, materi gelap tidak dapat diamati secara langsung. Tetapi astrofisikawan tahu itu ada di sana, karena mereka telah mengamati dampak gravitasi pada bintang, planet, dan cahaya.
"Sama seperti kita, sedang mencari di jantung di mana banyak teori telah memprediksi - untuk waktu yang lama dan untuk alasan yang sangat baik - sinyal akan muncul," kata DeMille. "Namun, mereka tidak melihat apa-apa, dan kita tidak melihat apa-apa."
Baik materi gelap maupun partikel subatomik baru yang tidak diprediksi oleh Model Standar belum terlihat secara langsung; tetap saja, semakin banyak bukti kuat menunjukkan bahwa fenomena ini memang ada. Tetapi sebelum para ilmuwan dapat menemukan mereka, beberapa ide lama tentang bagaimana mereka terlihat mungkin perlu dihilangkan, tambah DeMille.
"Ekspektasi tentang partikel baru semakin terlihat seperti salah," katanya.
Temuan ini diterbitkan online hari ini (17 Oktober) di jurnal Nature.
