Ograniczenia EDM deuteronu badają asymetrię materia-antymateria

Naukowcy osiągnęli znaczący kamień milowy w poszukiwaniach odpowiedzi na pytanie, dlaczego nasz wszechświat składa się głównie z materii, a nie z antymaterii. Mierząc nieskończenie małe „wychylenie” spinu deuteronu wewnątrz pierścienia akumulacyjnego, badacze, w tym A. Andres, A. Aggarwal oraz L. Barion, ustanowili pierwszą w historii eksperymentalną granicę jego elektrycznego momentu dipolowego (EDM). Odkrycie to, szczegółowo opisane w nowym badaniu przeprowadzonym w COoler SYnchrotron (COSY), stanowi kluczowe narzędzie do badania fizyki poza Modelem Standardowym i odnosi się do fundamentalnej asymetrii materia-antymateria, która umożliwia istnienie naszego wszechświata.

Tajemnica istnienia: asymetria materia-antymateria

Asymetria materia-antymateria odnosi się do obserwowanej nierównowagi między materią barionową a antymaterią barionową w obserwowalnym wszechświecie. Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu, wszechświat powinien wytworzyć równe ilości materii i antymaterii, które ostatecznie uległyby wzajemnej anihilacji, pozostawiając po sobie jedynie promieniowanie. Jednak obecność galaktyk, gwiazd i życia potwierdza, że niewielka nadwyżka materii przetrwała ten kataklizmiczny proces.

Aby wyjaśnić tę rozbieżność, fizycy szukają naruszenia symetrii ładunkowo-przestrzennej (CP), zjawiska, w którym prawa fizyki zmieniają się, gdy cząstka zostaje zamieniona na swoją antycząstkę, a jej współrzędne przestrzenne zostają lustrzanie odbite. Chociaż Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych uwzględnia pewne naruszenie symetrii CP, jest ono niewystarczające, aby wyjaśnić ogromną asymetrię materia-antymateria obserwowaną dzisiaj. Ta luka sugeruje istnienie nieodkrytych procesów fizycznych lub cząstek, które oddziałują w sposób, który nie został jeszcze zmapowany przez nowoczesną naukę.

Jak EDM deuteronu wiąże się z naruszeniem symetrii CP?

Elektryczny moment dipolowy (EDM) deuteronu wynika z operatorów naruszających symetrię CP w oddziaływaniach cząstek, ponieważ niezerowy EDM narusza zarówno symetrię przestrzenną (P), jak i symetrię względem odwrócenia czasu (T). Zgodnie z fundamentalnym twierdzeniem o zachowaniu symetrii CPT, naruszeniu symetrii względem odwrócenia czasu musi towarzyszyć naruszenie symetrii CP. To głębokie powiązanie sprawia, że EDM deuteronu jest wyjątkowo czułym wskaźnikiem do wykrywania nowych źródeł naruszenia symetrii CP, które mogłyby wyjaśnić asymetrię materia-antymateria.

W cząstce elementarnej EDM reprezentuje trwałe odseparowanie ładunku dodatniego i ujemnego wzdłuż jej osi spinu. Jeśli deuteron — proste jądro atomowe składające się z jednego protonu i jednego neutronu — posiada niezerowy EDM, oznaczałoby to, że jego wewnętrzny rozkład ładunku jest nieco „asymetryczny”. Ponieważ Model Standardowy przewiduje EDM tak mały, że jest on niemal niemożliwy do zmierzenia, wykrycie jakiegokolwiek większego EDM byłoby „niepodważalnym dowodem” na nową fizykę wykraczającą poza nasze obecne zrozumienie.

Jakie znaczenie ma granica |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm?

Granica |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm stanowi pierwszą w historii eksperymentalną górną granicę EDM deuteronu, dostarczając nowych ograniczeń dla fizyki poza Modelem Standardowym. Pomiar ten jest kluczowym dowodem koncepcji, który demonstruje wykonalność wykorzystania magnetycznych pierścieni akumulacyjnych do poszukiwania asymetrii subatomowych. Choć wartość ta jest raczej górną granicą niż odkryciem niezerowego momentu, zawęża ona przestrzeń poszukiwań dla modeli teoretycznych próbujących rozwiązać zagadkę asymetrii materia-antymateria.

Ustanawiając tę granicę, zespół badawczy wyznaczył punkt odniesienia dla wszystkich przyszłych pomiarów precyzyjnych. Wynik eksperymentalny został osiągnięty na poziomie ufności 95%, co oznacza wysoką pewność statystyczną, że EDM deuteronu nie jest większy niż ta niewiarygodnie mała wartość. Osiągnięcie to jest szczególnie imponujące, ponieważ zostało przeprowadzone w „konwencjonalnym” pierścieniu akumulacyjnym, przygotowując grunt pod jeszcze czulsze eksperymenty w obiektach zaprojektowanych specjalnie do poszukiwań EDM.

Do czego służy synchrotron COSY w eksperymentach EDM?

Synchrotron COSY jest wykorzystywany w eksperymentach nad EDM deuteronu do przechowywania wiązek spolaryzowanych deuteronów w pierścieniu, w którym pole elektryczne wywołuje precesję spinu, jeśli EDM jest obecny. Poprzez staranne kontrolowanie środowiska magnetycznego i elektrycznego cząstek, badacze mogą wykryć minutowe „wychylenie” niezmienniczej osi spinu względem płaszczyzny pierścienia. To wysokoprecyzyjne środowisko pozwala na odizolowanie sygnału EDM od znacznie większego szumu tła generowanego przez moment magnetyczny cząstki.

Zlokalizowany w Jülich w Niemczech, COoler SYnchrotron (COSY) jest wyspecjalizowanym akceleratorem cząstek, który wykorzystuje „chłodzenie wiązki” w celu utrzymania wysokiej jakości wiązki przez długi czas. W tym eksperymencie placówka została wyposażona w kilka zaawansowanych komponentów do zarządzania złożoną dynamiką wiązki deuteronów:

• Filtr Wiena o częstotliwości radiowej: Urządzenie, które stosuje ortogonalne pola elektryczne i magnetyczne do manipulowania spinem cząstek bez zmiany trajektorii wiązki.
• Nadprzewodzący syberyjski wąż: Seria magnesów, która obraca spin cząstek w celu utrzymania polaryzacji i złagodzenia błędów systematycznych.
• Solenoid chłodzenia elektronowego: Używany do ogniskowania i stabilizacji wiązki, zapewniając, że cząstki pozostają na wąskiej, przewidywalnej ścieżce pomiarowej.

Metodologia: Precyzyjny pomiar w ruchu

Pomiar EDM naładowanej cząstki wymaga zidentyfikowania małego wychylenia niezmienniczej osi spinu względem płaszczyzny pierścienia. W idealnie symetrycznym świecie spin cząstki krążącej w pierścieniu magnetycznym pozostawałby wyrównany z polem magnetycznym. Jednak EDM oddziaływałby z efektywnymi polami elektrycznymi w układzie cząstki, powodując powolne wychylanie się spinu z poziomej płaszczyzny akceleratora.

Zespół badawczy, w tym A. Andres i współpracownicy, spędził lata na udoskonalaniu technik odróżniania tego maleńkiego wychylenia wywołanego przez EDM od wychyleń spowodowanych mechanicznymi niedokładnościami ustawienia magnesów. Wyzwanie jest ogromne: obserwowane wychylenia mieściły się w zakresie kilku mili-radianów, a badacze musieli udowodnić, że były one zdominowane przez efekty systematyczne, a nie przez fundamentalną właściwość samego deuteronu. Uwzględniając te błędy, byli w stanie obliczyć maksymalną możliwą wartość, jaką mógłby przyjąć EDM bez bycia zauważonym.

Poza Modelem Standardowym: Co dalej?

Model Standardowy przewiduje, że EDM deuteronu wynosi około 10⁻³¹ e·cm, co jest wartością o wiele rzędów wielkości mniejszą niż obecna granica eksperymentalna. Ta ogromna rozbieżność podkreśla „okno odkryć” — przestrzeń, w której może kryć się nowa fizyka, taka jak Supersymetria lub inne teorie wykraczające poza Model Standardowy. Jeśli przyszłe eksperymenty wykryją EDM przed osiągnięciem poziomu przewidywanego przez Model Standardowy, dostarczy to bezpośrednich dowodów na siły, które spowodowały asymetrię materia-antymateria.

Patrząc w przyszłość, sukces w COSY stanowi techniczny fundament pod budowę dedykowanego pierścienia akumulacyjnego EDM. Taki obiekt wykorzystywałby „całkowicie elektryczne” lub „hybrydowe” pola zakrzywiające, aby osiągnąć czułość tysiące razy większą niż obecna granica. Badacze wierzą, że osiągając czułość rzędu 10⁻²⁹ e·cm, mogą w końcu odkryć źródło naruszenia symetrii CP, które pozwoliło wszechświatowi ewoluować z zupy promieniowania w kosmos wypełniony materią.

Podsumowanie: Fundament pod odkrycia

Eksperymentalne wyznaczenie granicy EDM deuteronu oznacza przejście od spekulacji teoretycznych do precyzyjnych testów eksperymentalnych. Choć obecna granica 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm nie ujawnia jeszcze „nowej fizyki”, dowodzi ona, że metoda pierścienia akumulacyjnego jest opłacalnym i potężnym narzędziem w fizyce jądrowej. Współpraca między międzynarodowymi instytucjami oraz mistrzostwo techniczne wykazane w ośrodku COSY przybliżyły ludzkość o krok do zrozumienia własnego pochodzenia.

Przyszłe badania skupią się na dalszej redukcji niepewności systematycznych i badaniu EDM innych cząstek, takich jak protony i jądra helu-3. W miarę jak globalne badania nad asymetrią materia-antymateria przybierają na sile, lekcje wyciągnięte z badania deuteronu posłużą jako mapa drogowa dla następnej generacji łowców cząstek, starających się rozwiązać największą zagadkę Wielkiego Wybuchu.