Deuteronens EDM-gränser utforskar materia-antimateria-asymmetrin

Forskare har nått en betydande milstolpe i sökandet efter varför vårt universum främst består av materia snarare än antimateria. Genom att mäta den infinitesimala ”lutningen” hos deuteron-partikelns spinn i en lagringsring har forskare, däribland A. Andres, A. Aggarwal och L. Barion, fastställt den första experimentella gränsen någonsin för dess elektriska dipolmoment (EDM). Denna upptäckt, som beskrivs i en ny studie utförd vid COoler SYnchrotron (COSY), utgör en kritisk sond för fysik bortom Standardmodellen och adresserar den fundamentala materia-antimateria-asymmetrin som gör att vårt universum kan existera.

Existensens mysterium: Materia-antimateria-asymmetrin

Materia-antimateria-asymmetri syftar på den observerade obalansen mellan baryonisk materia och antibaryonisk materia i det observerbara universumet. Enligt Big Bang-teorin borde universum ha producerat lika stora mängder materia och antimateria, vilka så småningom skulle ha annihilerat varandra och efterlämnat endast strålning. Förekomsten av galaxer, stjärnor och liv bekräftar dock att ett litet överskott av materia överlevde denna kataklysmiska process.

För att förklara denna diskrepans letar fysiker efter CP-brott (Charge-Parity violation), ett fenomen där fysikens lagar förändras när en partikel byts ut mot sin antipartikel och dess rumsliga koordinater speglas. Även om partikelfysikens Standardmodell inkluderar visst CP-brott, är det otillräckligt för att förklara den massiva materia-antimateria-asymmetri som ses idag. Detta gap tyder på existensen av oupptäckta fysikaliska processer eller partiklar som interagerar på sätt som ännu inte kartlagts av modern vetenskap.

Hur hänger deuteronens EDM samman med CP-brott?

Deuteronens elektriska dipolmoment (EDM) uppstår från CP-brytande operatorer i partikelinteraktioner, eftersom ett EDM skilt från noll bryter mot både paritets- (P) och tidsreverseringssymmetri (T). Enligt det fundamentala teoremet om CPT-bevarande måste ett brott mot tidsreverseringssymmetrin åtföljas av ett brott mot CP-symmetrin. Denna djupa koppling gör deuteronens EDM till en unikt känslig sond för att detektera nya källor till CP-brott som skulle kunna förklara materia-antimateria-asymmetrin.

I en fundamental partikel representerar ett EDM en permanent separation av positiv och negativ laddning längs dess spinnaxel. Om deuteronen — en enkel atomkärna bestående av en proton och en neutron — besitter ett EDM skilt från noll, skulle det indikera att dess interna laddningsfördelning är något ”skev”. Eftersom Standardmodellen förutspår ett EDM som är så litet att det är nästan omöjligt att mäta, skulle varje detektering av ett större EDM vara ett tydligt bevis (”smoking gun”) för ny fysik bortom vår nuvarande förståelse.

Vad är betydelsen av gränsen |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm?

Gränsen |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm utgör den första experimentella övre gränsen någonsin för deuteronens EDM, vilket ger en ny restriktion för fysik bortom Standardmodellen. Denna mätning är ett avgörande proof-of-concept som visar genomförbarheten av att använda magnetiska lagringsringar för att leta efter subatomära asymmetrier. Även om värdet är en övre gräns snarare än en upptäckt av ett moment skilt från noll, begränsar det sökfönstret för teoretiska modeller som försöker lösa materia-antimateria-asymmetrin.

Genom att fastställa denna gräns har forskarlaget satt en utgångspunkt för alla framtida precisionsmätningar. Det experimentella resultatet uppnåddes med en 95-procentig konfidensgrad, vilket innebär att det finns en hög statistisk säkerhet för att deuteronens EDM inte är större än detta otroligt lilla värde. Denna prestation är särskilt imponerande eftersom den utfördes i en ”konventionell” lagringsring, vilket banar väg för ännu känsligare experiment i anläggningar specifikt utformade för EDM-sökningar.

Vad används COSY-synkrotronen till i EDM-experiment?

COSY-synkrotronen används i EDM-experiment med deuteroner för att lagra strålar av polariserade deuteroner i en ring där ett elektriskt fält inducerar spinnprecession om ett EDM är närvarande. Genom att noggrant kontrollera partiklarnas magnetiska och elektriska miljöer kan forskare detektera en minimal ”lutning” i den invarianta spinnaxeln i förhållande till ringplanet. Denna högprecisionsmiljö gör det möjligt att isolera EDM-signalen från det mycket större bakgrundsbruset från partikelns magnetiska moment.

Beläget i Jülich, Tyskland, är COoler SYnchrotron (COSY) en specialiserad partikelaccelerator som utnyttjar ”strålkylning” för att bibehålla hög strålkvalitet under långa perioder. I detta experiment utrustades anläggningen med flera sofistikerade komponenter för att hantera den komplexa dynamiken i deuteronstrålen:

• Radiofrekvent Wien-filter: En anordning som applicerar ortogonala elektriska och magnetiska fält för att manipulera partikelspinn utan att ändra strålens bana.
• Supraledande sibirisk orm: En serie magneter som roterar partiklarnas spinn för att bibehålla polarisationen och mildra systematiska fel.
• Elektronkylarsolenoid: Används för att fokusera och stabilisera strålen, vilket säkerställer att partiklarna förblir i en snäv, förutsägbar bana för mätning.

Metodik: Precisionsmätning i rörelse

Att mäta EDM hos en laddad partikel kräver att man identifierar en liten lutning av den invarianta spinnaxeln i förhållande till ringplanet. I en perfekt symmetrisk värld skulle spinnet hos en partikel som cirkulerar i en magnetisk ring förbli i linje med magnetfältet. Ett EDM skulle dock interagera med de effektiva elektriska fälten i partikelns referensram, vilket får spinnet att långsamt tippa ut ur acceleratorns horisontella plan.

Forskarlaget, inklusive A. Andres och kollegor, tillbringade år med att förfina teknikerna för att skilja denna lilla EDM-inducerade lutning från lutningar orsakade av mekaniska feljusteringar av magneterna. Utmaningen är enorm: de observerade lutningarna låg i storleksordningen några få milliradianer, och forskarna var tvungna att bevisa att dessa dominerades av systematiska effekter snarare än en fundamental egenskap hos själva deuteronen. Genom att ta hänsyn till dessa fel kunde de beräkna det maximalt möjliga värde som EDM skulle kunna anta utan att detekteras.

Bortom Standardmodellen: Vad händer härnäst?

Standardmodellen förutspår att deuteronens EDM är ungefär 10⁻³¹ e·cm, vilket är många storleksordningar mindre än den nuvarande experimentella gränsen. Denna massiva diskrepans belyser ”upptäcktsfönstret” — det utrymme där ny fysik, såsom supersymmetri eller andra teorier bortom Standardmodellen, kan finnas. Om framtida experiment detekterar ett EDM innan de når Standardmodellens bottennivå, skulle det ge direkta bevis på de krafter som orsakade materia-antimateria-asymmetrin.

Framåtblickande ger framgången vid COSY en teknisk grund för konstruktionen av en dedikerad EDM-lagringsring. En sådan anläggning skulle använda ”helelektriska” eller ”hybrida” böjfält för att nå känsligheter som är tusentals gånger högre än den nuvarande gränsen. Forskare tror att de genom att nå en känslighet på 10⁻²⁹ e·cm äntligen kan avslöja källan till det CP-brott som gjorde att universum kunde växa från en soppa av strålning till ett kosmos fyllt av materia.

Slutsats: En grund för upptäckt

Den experimentella bestämningen av deuteronens EDM-gräns markerar en övergång från teoretisk spekulation till experimentell precisionstestning. Även om den nuvarande gränsen på 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm ännu inte avslöjar ”ny fysik”, bevisar den att metoden med lagringsringar är ett livskraftigt och kraftfullt verktyg för kärnfysik. Samarbetet mellan internationella institutioner och den tekniska skickligheten vid COSY-anläggningen har fört mänskligheten ett steg närmare att förstå sitt eget ursprung.

Framtida studier kommer att fokusera på att ytterligare reducera systematiska osäkerheter och utforska EDM hos andra partiklar, såsom protoner och helium-3-kärnor. Allteftersom den globala forskningen om materia-antimateria-asymmetrin intensifieras, kommer lärdomarna från denna deuteronstudie att fungera som en färdplan för nästa generation av partikeljägare som söker lösa Big Bangs största mysterium.