Elektronen zijn heel erg rond. Dat blijkt uit extreem nauwkeurige metingen aan de vorm van de ladingsverdeling van deze deeltjes. De ronde vorm is precies wat het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt. Enkele alternatieve theorieën verdwijnen nu dus van de tekentafel.

Amerikaanse onderzoekers zochten naar kleine vervormingen in de ladingsverdeling van elektronen. Als de ze die hadden gevonden, zou dat wijzen op de aanwezigheid van nog onbekende deeltjes. De afwezigheid van vervormingen sluit het bestaan van bepaalde theorieën met hypothetische, nieuwe deeltjes dus uit.

Op jacht naar geluk
LEES OOK
Op jacht naar geluk

Deze theorieën zijn in het leven geroepen om verschijnselen te verklaren waar het standaardmodel (nog) geen antwoord op heeft. Bijvoorbeeld het bestaan van donkere materie. Deze mysterieuze massa moet in grote hoeveelheden in het universum aanwezig zijn om de bewegingen van sterrenstelsel te verklaren. Maar wat het spul precies is, dat weet niemand.

Lading van elektronen

Elektronen zijn negatief geladen deeltjes die in bijna elk atoom te vinden zijn. Je stelt ze misschien voor als kleine balletjes die om een atoomkern draaien, zoals vaak in plaatjes te zien. Maar dat beeld klopt niet.

Elektronen zijn zo klein dat ze leven in de quantumwereld. Daar is de locatie van een deeltje niet precies gedefinieerd. Er is alleen sprake van een waarschijnlijkheid om een elektron ergens te vinden. De kans is bijvoorbeeld het grootst om het elektron op plek A te vinden, maar een beetje rechts, links, onder of boven A is het deeltje ook met een bepaalde waarschijnlijkheid te vinden. Om een atoomkern heen gedraagt een elektron zich dus niet als een ronddraaiend balletje, die elk moment op één duidelijke plek is, maar meer als een wolk van negatieve lading.

Hoe definieer je ‘perfect rond’ bij zo’n quantumobject? ‘Rond’ verwijst in dit geval naar de verdeling van de lading, of preciezer: het elektrische dipoolmoment. Is er geen dipoolmoment, dan is de lading perfect symmetrisch, en dus bolvormig, verdeeld. Als er wél een dipoolmoment is, dan zit er aan een kant wat meer lading dan aan de andere kant, wat betekent dat de ladingwolk een asymmetrische vorm heeft.

Hypothetische deeltjes

Volgens sommige theorieën die concurreren met het standaardmodel bestaan er nog niet ontdekte deeltjes. Die deeltjes zouden de ladingswolk vervormen tot een asymmetrische vorm. Dat doen ze door interacties aan te gaan met een elektron, waardoor ze een beetje aan de ladingswolk te trekken of te duwen.

Waar komen die deeltjes vandaan? Volgens de quantummechanica is de lege ruimte rondom een elektron niet echt leeg. Uit het niets ontstaan steeds heel kort deeltjes die daarna snel weer verdwijnen. Ook de hypothetische nieuwe deeltjes kunnen op deze manier af en toe kort ontstaan, en dan de vorm van het elektron beïnvloeden.

Thoriummonoxide

Om het bestaan van zulke nieuwe deeltjes te toetsen, ontworpen onderzoekers het ACME-experiment. Ze gebruiken thoriummonoxidegas, afgekoeld tot -257°C. Daarin meten ze het dipoolmoment van de elektronen in de thoriummonoxide-moleculen zitten.

Het superkoude gas wordt in een elektrisch veld gebracht en beschenen met een laser. De elektronen absorberen dat laserlicht en zenden het vervolgens weer uit. Als elektronen een elektrisch dipoolmoment hebben, zou het elektrisch veld de asymmetrische ladingsverdeling uit evenwicht brengen. Daardoor zou de energie van de elektronen veranderen, en daarmee ook het licht dat elektronen uitzenden. De onderzoekers observeerden die hypothetische verandering niet. Zo concludeerden zij dat elektronen niet of nauwelijks een dipoolmoment hebben. Ze zijn bijna perfect symmetrisch rond.

‘Onze apparatuur meet de ladingsvorm erg nauwkeurig’, zegt Gerald Gabrielse van Northwestern University. ‘Als een elektron(ladingswolk) even groot zou zijn als de aarde, dan zouden we het kunnen detecteren als het middelpunt met minder dan een miljoenste van de dikte van een haar verschoven was.’

Lichte deeltjes uitgesloten

Dit resultaat betekent dat het bestaan van bepaalde nog niet ontdekte deeltjes is uitgesloten: deeltjes met een massa van minder dan enkele teraelektronvolt (de massa wordt in de deeltjesfysica vaak uitgedrukt in energie, volgens de regel: E=massa*c^2.) Deeltjes die zwaarder zijn dan 3 TeV, hebben weinig invloed op het dipoolmoment van elektronen en zijn door dit experiment niet uitgesloten.

Met andere woorden: voorlopig blijkt het standaardmodel standvastig.

Impressie van een elektron dat om een atoomkern draait. Bron: Nicolle R. Fuller, National Science Foundation