Ограничения ЭДМ дейтрона помогают исследовать асимметрию материи и антиматерии

Ученые достигли значимого рубежа в исследовании причин того, почему наша Вселенная состоит преимущественно из материи, а не из антиматерии. Измерив бесконечно малый «наклон» спина дейтрона в накопительном кольце, группа исследователей, в которую вошли A. Andres, A. Aggarwal и L. Barion, установила первый в истории экспериментальный предел его электрического дипольного момента (ЭДМ). Это открытие, подробно описанное в новом исследовании, проведенном на COoler SYnchrotron (COSY), представляет собой важнейший инструмент для изучения физики за пределами Стандартной модели и рассматривает фундаментальную асимметрию материи и антиматерии, которая делает возможным существование нашей Вселенной.

Загадка существования: асимметрия материи и антиматерии

Асимметрия материи и антиматерии относится к наблюдаемому дисбалансу между барионной материей и антиматерией в видимой Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была произвести равное количество материи и антиматерии, которые в конечном итоге аннигилировали бы друг друга, оставив после себя только излучение. Однако наличие галактик, звезд и жизни подтверждает, что в ходе этого катаклизма выжил небольшой избыток материи.

Чтобы объяснить это расхождение, физики ищут нарушение CP-инвариантности — явление, при котором законы физики меняются, когда частица заменяется ее античастицей, а ее пространственные координаты зеркально отражаются. Хотя Стандартная модель физики элементарных частиц включает некоторое нарушение CP-четности, его недостаточно, чтобы объяснить масштабную асимметрию материи и антиматерии, наблюдаемую сегодня. Этот разрыв указывает на существование неоткрытых физических процессов или частиц, взаимодействие которых еще не описано современной наукой.

Как ЭДМ дейтрона связан с нарушением CP-инвариантности?

Электрический дипольный момент (ЭДМ) дейтрона возникает из операторов, нарушающих CP-четность во взаимодействиях частиц, поскольку ненулевой ЭДМ нарушает как пространственную четность (P), так и симметрию обращения времени (T). Согласно фундаментальной теореме о сохранении CPT-инвариантности, нарушение симметрии обращения времени должно сопровождаться нарушением CP-симметрии. Эта глубокая связь делает ЭДМ дейтрона уникально чувствительным инструментом для обнаружения новых источников нарушения CP-инвариантности, которые могли бы объяснить асимметрию материи и антиматерии.

У элементарной частицы ЭДМ представляет собой постоянное разделение положительного и отрицательного заряда вдоль оси ее спина. Если дейтрон — простое атомное ядро, состоящее из одного протона и одного нейтрона — обладает ненулевым ЭДМ, это будет указывать на то, что его внутреннее распределение заряда слегка «однобоко». Поскольку Стандартная модель предсказывает настолько малый ЭДМ, что его почти невозможно измерить, любое обнаружение более значительного ЭДМ станет неоспоримым доказательством («smoking gun») новой физики за пределами нашего текущего понимания.

В чем значимость предела |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ э·см?

Предел |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ э·см представляет собой первую в истории экспериментальную верхнюю границу ЭДМ дейтрона, накладывающую новое ограничение на физику за пределами Стандартной модели. Это измерение является решающим доказательством концепции, демонстрирующим возможность использования магнитных накопительных колец для поиска субатомных асимметрий. Хотя полученное значение является верхней границей, а не открытием ненулевого момента, оно сужает пространство поиска для теоретических моделей, пытающихся разрешить проблему асимметрии материи и антиматерии.

Установив эту границу, исследовательская группа заложила основу для всех будущих прецизионных измерений. Экспериментальный результат был достигнут с уровнем достоверности 95%, что означает высокую статистическую уверенность в том, что ЭДМ дейтрона не превышает этого невероятно малого значения. Это достижение особенно впечатляет, поскольку оно было получено на «обычном» накопительном кольце, подготавливая почву для еще более чувствительных экспериментов на установках, специально предназначенных для поиска ЭДМ.

Для чего используется синхротрон COSY в экспериментах по поиску ЭДМ?

Синхротрон COSY используется в экспериментах с ЭДМ дейтрона для накопления пучков поляризованных дейтронов в кольце, где электрическое поле вызывает прецессию спина при наличии ЭДМ. Тщательно контролируя магнитную и электрическую среду частиц, исследователи могут обнаружить ничтожный «наклон» инвариантной оси спина относительно плоскости кольца. Такая высокоточная среда позволяет изолировать сигнал ЭДМ от гораздо более мощного фонового шума, создаваемого магнитным моментом частицы.

Расположенный в Юлихе, Германия, COoler SYnchrotron (COSY) представляет собой специализированный ускоритель частиц, использующий «охлаждение пучка» для поддержания его высокого качества в течение длительного времени. В данном эксперименте установка была оснащена несколькими сложными компонентами для управления сложной динамикой пучка дейтронов:

• Радиочастотный фильтр Вина: устройство, применяющее ортогональные электрические и магнитные поля для манипулирования спином частиц без изменения траектории пучка.
• Сверхпроводящая «сибирская змейка»: серия магнитов, которая поворачивает спин частиц для сохранения поляризации и минимизации систематических ошибок.
• Соленоид электронного охлаждения: используется для фокусировки и стабилизации пучка, гарантируя, что частицы остаются на узкой, предсказуемой траектории для измерений.

Методология: прецизионные измерения в движении

Измерение ЭДМ заряженной частицы требует выявления небольшого наклона инвариантной оси спина относительно плоскости кольца. В идеально симметричном мире спин частицы, циркулирующей в магнитном кольце, оставался бы сонаправленным с магнитным полем. Однако ЭДМ взаимодействовал бы с эффективными электрическими полями в системе отсчета частицы, заставляя спин медленно отклоняться из горизонтальной плоскости ускорителя.

Исследовательская группа, включая A. Andres и коллег, потратила годы на совершенствование методов, позволяющих отличить этот крошечный наклон, вызванный ЭДМ, от наклонов, обусловленных механическим несовпадением магнитов. Задача колоссальна: наблюдаемые наклоны находились в диапазоне нескольких миллирадиан, и исследователям нужно было доказать, что в них доминируют систематические эффекты, а не фундаментальное свойство самого дейтрона. Учитывая эти ошибки, они смогли рассчитать максимально возможное значение, которое мог бы принимать ЭДМ, оставаясь незамеченным.

За пределами Стандартной модели: что дальше?

Стандартная модель предсказывает, что ЭДМ дейтрона составляет примерно 10⁻³¹ э·см, что на много порядков меньше текущего экспериментального предела. Это огромное расхождение подчеркивает «окно открытий» — пространство, где может скрываться новая физика, такая как суперсимметрия или другие теории за пределами Стандартной модели. Если будущие эксперименты обнаружат ЭДМ до достижения нижнего предела Стандартной модели, это станет прямым свидетельством сил, вызвавших асимметрию материи и антиматерии.

Забегая вперед, можно сказать, что успех на COSY создает техническую базу для строительства специализированного накопительного кольца ЭДМ. Такая установка будет использовать чисто электрические или «гибридные» отклоняющие поля, чтобы достичь чувствительности, в тысячи раз превышающей нынешний предел. Исследователи полагают, что, достигнув чувствительности 10⁻²⁹ э·см, они смогут, наконец, раскрыть источник нарушения CP-инвариантности, который позволил Вселенной превратиться из супа излучения в космос, наполненный материей.

Заключение: фундамент для открытий

Экспериментальное определение предела ЭДМ дейтрона знаменует переход от теоретических предположений к прецизионным экспериментальным проверкам. Хотя текущий предел 2,5 × 10⁻¹⁷ э·см еще не выявил «новую физику», он доказывает, что метод накопительного кольца является жизнеспособным и мощным инструментом для ядерной физики. Сотрудничество международных институтов и техническое мастерство, проявленное на установке COSY, стали еще одним шагом человечества к пониманию собственного происхождения.

Будущие исследования будут сосредоточены на дальнейшем снижении систематических погрешностей и изучении ЭДМ других частиц, таких как протоны и ядра гелия-3. По мере интенсификации глобальных исследований асимметрии материи и антиматерии, уроки, извлеченные из этого исследования дейтрона, послужат дорожной картой для следующего поколения «охотников за частицами», стремящихся разгадать величайшую тайну Большого взрыва.