Deuteron EDM-limieten werpen licht op materie-antimaterie-asymmetrie

Wetenschappers hebben een belangrijke mijlpaal bereikt in de zoektocht naar de reden waarom ons universum hoofdzakelijk uit materie bestaat in plaats van uit antimaterie. Door de minieme "kanteling" van de spin van het deuteron-deeltje te meten binnen een opslagring, hebben onderzoekers, waaronder A. Andres, A. Aggarwal en L. Barion, de allereerste experimentele limiet vastgesteld voor het elektrisch dipoolmoment (EDM) ervan. Deze ontdekking, gedetailleerd in een nieuwe studie uitgevoerd bij de COoler SYnchrotron (COSY), biedt een cruciale test voor natuurkunde voorbij het Standaardmodel en richt zich op de fundamentele materie-antimaterie-asymmetrie die het bestaan van ons universum mogelijk maakt.

Het mysterie van ons bestaan: De materie-antimaterie-asymmetrie

Materie-antimaterie-asymmetrie verwijst naar de waargenomen onbalans tussen baryonische materie en antibaryonische materie in het waarneembare universum. Volgens de Oerknal-theorie had het universum gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten produceren, die elkaar uiteindelijk zouden hebben geannihileerd, met alleen straling als gevolg. De aanwezigheid van sterrenstelsels, sterren en leven bevestigt echter dat een klein overschot aan materie dit catastrofale proces heeft overleefd.

Om deze discrepantie te verklaren, zoeken natuurkundigen naar CP-schending (lading-pariteit-schending), een fenomeen waarbij de wetten van de natuurkunde veranderen wanneer een deeltje wordt verwisseld met zijn antideeltje en de ruimtelijke coördinaten worden gespiegeld. Hoewel het Standaardmodel van de deeltjesfysica enige CP-schending bevat, is dit onvoldoende om de enorme materie-antimaterie-asymmetrie te verklaren die we vandaag de dag zien. Dit gat suggereert het bestaan van onontdekte fysieke processen of deeltjes die interageren op manieren die de moderne wetenschap nog in kaart moet brengen.

Hoe verhoudt het EDM van de deuteron zich tot CP-schending?

Het elektrisch dipoolmoment (EDM) van de deuteron komt voort uit CP-schendende operatoren in interacties tussen deeltjes, aangezien een EDM ongelijk aan nul zowel de pariteits- (P) als de tijdomkeersymmetrie (T) schendt. Onder de fundamentele stelling van CPT-behoud moet een schending van de tijdomkeersymmetrie gepaard gaan met een schending van de CP-symmetrie. Deze diepe verbinding maakt het EDM van de deuteron tot een uniek gevoelig instrument voor het detecteren van nieuwe bronnen van CP-schending die de materie-antimaterie-asymmetrie zouden kunnen verklaren.

In een fundamenteel deeltje vertegenwoordigt een EDM een permanente scheiding van positieve en negatieve lading langs de spinas. Als de deuteron — een eenvoudige atoomkern bestaande uit één proton en één neutron — een EDM ongelijk aan nul bezit, zou dit erop wijzen dat de interne ladingsverdeling enigszins "asymmetrisch" is. Omdat het Standaardmodel een EDM voorspelt dat zo klein is dat het bijna onmogelijk te meten is, zou elke detectie van een groter EDM een onweerlegbaar bewijs zijn voor nieuwe natuurkunde voorbij ons huidige begrip.

Wat is de betekenis van de limiet |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm?

De limiet |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm vertegenwoordigt de allereerste experimentele bovengrens voor het EDM van de deuteron en biedt een nieuwe beperking voor natuurkunde voorbij het Standaardmodel. Deze meting is een cruciaal 'proof-of-concept' dat de haalbaarheid aantoont van het gebruik van magnetische opslagringen om te zoeken naar subatomaire asymmetrieën. Hoewel de waarde een bovengrens is en geen ontdekking van een moment ongelijk aan nul, verkleint het de zoekruimte voor theoretische modellen die de materie-antimaterie-asymmetrie proberen op te lossen.

Door deze grens vast te stellen, heeft het onderzoeksteam een nulpunt bepaald voor alle toekomstige precisiemetingen. Het experimentele resultaat werd bereikt met een betrouwbaarheidsniveau van 95%, wat betekent dat er een hoge statistische zekerheid is dat het EDM van de deuteron niet groter is dan deze ongelooflijk kleine waarde. Deze prestatie is bijzonder indrukwekkend omdat het werd uitgevoerd in een "conventionele" opslagring, wat de weg vrijmaakt voor nog gevoeligere experimenten in faciliteiten die specifiek zijn ontworpen voor EDM-onderzoek.

Waarvoor wordt de COSY-synchrotron gebruikt in EDM-experimenten?

De COSY-synchrotron wordt in deuteron EDM-experimenten gebruikt om bundels gepolariseerde deuteronen op te slaan in een ring waar een elektrisch veld spinprecessie induceert als er een EDM aanwezig is. Door de magnetische en elektrische omgeving van de deeltjes zorgvuldig te controleren, kunnen onderzoekers een minieme "kanteling" in de invariante spinas ten opzichte van het ringvlak detecteren. Deze precisie-omgeving maakt het mogelijk om het EDM-signaal te isoleren van de veel grotere achtergrondruis van het magnetisch moment van het deeltje.

De COoler SYnchrotron (COSY), gevestigd in Jülich, Duitsland, is een gespecialiseerde deeltjesversneller die gebruikmaakt van "bundelkoeling" om een hoge bundelkwaliteit gedurende lange perioden te behouden. In dit experiment werd de faciliteit uitgerust met verschillende geavanceerde componenten om de complexe dynamica van de deuteronbundel te beheersen:

• Hoogfrequente Wien-filter: Een apparaat dat orthogonale elektrische en magnetische velden toepast om de deeltjesspin te manipuleren zonder het traject van de bundel te veranderen.
• Supergeleidende Siberische slang: Een reeks magneten die de spin van de deeltjes roteert om de polarisatie te behouden en systematische fouten te beperken.
• Elektronenkoeler-solenoïde: Gebruikt om de bundel te focusseren en te stabiliseren, zodat de deeltjes in een strak, voorspelbaar pad blijven voor de meting.

De methodologie: Precisiemetingen in beweging

Het meten van het EDM van een geladen deeltje vereist het identificeren van een kleine kanteling van de invariante spinas ten opzichte van het ringvlak. In een perfect symmetrische wereld zou de spin van een deeltje dat in een magnetische ring circuleert, uitgelijnd blijven met het magnetische veld. Een EDM zou echter interageren met de effectieve elektrische velden in het stelsel van het deeltje, waardoor de spin langzaam uit het horizontale vlak van de versneller kantelt.

Het onderzoeksteam, waaronder A. Andres en collega's, heeft jarenlang technieken verfijnd om deze kleine, door EDM geïnduceerde kanteling te onderscheiden van kantelingen veroorzaakt door mechanische misuitlijningen van de magneten. De uitdaging is immens: de waargenomen kantelingen lagen in de orde van grootte van enkele milliradialen, en de onderzoekers moesten bewijzen dat deze werden gedomineerd door systematische effecten in plaats van een fundamentele eigenschap van de deuteron zelf. Door rekening te houden met deze fouten, konden zij de maximaal mogelijke waarde berekenen die het EDM zou kunnen aannemen zonder te worden opgemerkt.

Voorbij het Standaardmodel: Wat nu?

Het Standaardmodel voorspelt dat het EDM van de deuteron ongeveer 10⁻³¹ e·cm bedraagt, wat vele ordes van grootte kleiner is dan de huidige experimentele limiet. Deze enorme discrepantie benadrukt het "ontdekkingsvenster" — de ruimte waar nieuwe natuurkunde, zoals Supersymmetrie of andere theorieën voorbij het Standaardmodel, zich zou kunnen bevinden. Als toekomstige experimenten een EDM detecteren voordat de ondergrens van het Standaardmodel is bereikt, zou dit direct bewijs leveren voor de krachten die de materie-antimaterie-asymmetrie hebben veroorzaakt.

Vooruitkijkend biedt het succes bij COSY een technische basis voor de bouw van een speciale EDM-opslagring. Een dergelijke faciliteit zou gebruikmaken van "volledig elektrische" of "hybride" buigvelden om gevoeligheden te bereiken die duizenden keren groter zijn dan de huidige limiet. Onderzoekers geloven dat ze door een gevoeligheid van 10⁻²⁹ e·cm te bereiken, eindelijk de bron van de CP-schending kunnen ontdekken die het universum in staat stelde uit te groeien van een soep van straling tot een kosmos vol materie.

Conclusie: Een fundament voor ontdekking

De experimentele bepaling van de EDM-limiet van de deuteron markeert een overgang van theoretische speculatie naar precisie-experimenten. Hoewel de huidige limiet van 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm nog geen "nieuwe natuurkunde" onthult, bewijst het dat de methode met de opslagring een levensvatbaar en krachtig instrument is voor de kernfysica. De samenwerking tussen internationale instituten en het technische meesterschap dat in de COSY-faciliteit is getoond, hebben de mensheid een stap dichter bij het begrijpen van haar eigen oorsprong gebracht.

Toekomstige studies zullen zich richten op het verder verminderen van systematische onzekerheden en het verkennen van de EDM's van andere deeltjes, zoals protonen en helium-3-kernen. Naarmate het wereldwijde onderzoek naar de materie-antimaterie-asymmetrie intensiveert, zullen de lessen die uit dit deuteron-onderzoek zijn getrokken, dienen als routekaart voor de volgende generatie deeltjesjagers die het grootste mysterie van de Oerknal willen oplossen.