Исследователи из Московского физико-технического института и Института ядерных исследований РАН разработали эксперимент, который поможет приоткрыть одну из главных тайн мироздания. Речь идет об электрическом дипольном моменте. Это одно из фундаментальных свойств материи, которое описывает распределение заряда внутри элементарной частицы.
Предложенный эксперимент будут проводить на ускорительном комплексе NICA. Его создают на территории ОИЯИ в Дубне. Обоснованию методики посвящена серия статей в Physics of Atomic Nuclei — международном академическом журнале, посвященном вопросам ядерных взаимодействий (1,2).
«Если частица имеет заряд, распределенный неравномерно, то можно ввести вектор, характеризующий величину и направление этого смещения. Это и есть электрический дипольный момент. Его измеряют в особых единицах — заряд электрона на сантиметр. В теории он может быть присущ протонам, нейтронам, электронам и другим частицам, но его величина настолько мала, что до сих пор никому не удалось его измерить с достаточной точностью», — рассказал один из основных участников эксперимента Алексей Мельников, младший научный сотрудник ИЯИ РАН и МФТИ.
Экспериментальное измерение электрического дипольного момента (ЭДМ) частиц, объяснили ученые, стало бы важным открытием, так как это свойство, например, могло бы объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, что противоречит текущим представлениям фундаментальной физики, предполагающим полную симметрию в происхождении вещества. В знаменитой работе Андрея Сахарова, посвященной барионной асимметрии Вселенной, предложено объяснение этой загадке, и связано оно именно с существованием электрического дипольного момента. Его наличие объясняет преобладание материи над антиматерией.
Помимо этого, электрический дипольный момент может быть чувствителен к взаимодействиям частиц с аксионоподобной темной материей, поэтому, научившись его измерять, можно приблизиться к пониманию этой субстанции и открыть Новую физику.
«В целом различные теории предсказывают разную величину ЭДМ. По сути, нахождение этого значения в эксперименте станет ключом к пониманию, какая из них верная», — сообщил Алексей Мельников.
«В частности, — пояснил он. — Стандартная модель предсказывает, что электрический дипольный момент у частиц должен быть почти нулевым. При этом новые гипотезы, такие как теория суперсимметрии, теории великого объединения или теории, связанные с дополнительными измерениями, предполагают, что он может быть значительно больше. Если же электрический дипольный момент будет иметь значение, которое не вписывается ни в одну из теорий, это также может привести к созданию Новой физики».
Как отметили ученые, в мире исследователи достигли измерения ЭДМ с приближением порядка 10-25 е·см (электрон на сантиметр). Однако, чтобы подтвердить или опровергнуть фундаментальные теории, нужна точность порядка 10-30 е·см, которую рассчитывают достичь благодаря реализации эксперимента на комплексе NICA. Получить необходимые параметры исследователи предполагают за счет небольшой модификации ускорителя.
NICA, объяснили они, представляет собой кольцо, где элементарные частицы разгоняются до околосветовых скоростей. Специальные магниты удерживают их, а также управляют их траекториями. Обычно для измерения электрического дипольного момента ученые используют методы, основанные на поведении спинов (собственных магнитных моментов) частиц в магнитных и электрических полях. Один из них — метод frozen spin («замороженного спина»). В этом режиме спин частицы в каждый момент времени сонаправлен с ее импульсом. Это позволяет аннулировать влияние магнитного дипольного момента (МДМ) на спин, тем самым изолируя ЭДМ-сигнал.
Однако реализация метода замороженного спина потребовала бы построить новый специализированный ускоритель. Чтобы сделать возможным измерение на существующем кольце, в частности NICA, исследователи предложили метод quasi-frozen spin («квази-замороженного спина»). Он предполагает установку на пути пучков частиц так называемых фильтров Вина, которые компенсируют вращение спина, накопленное в магнитной арке. Таким образом, происходит компенсация МДМ-вращения за полный оборот по кольцу, что позволяет измерять ЭДМ-сигнал.
Как подчеркивают исследователи, ожидается, что комплекс NICA, когда будет полностью запущен в эксплуатацию, станет ведущей в мире установкой по спиновой тематике, не имеющей аналогов. Причем поиск электрического дипольного момента с помощью ускорителя NICA будет в разы дешевле зарубежных проектов, предполагающих для этих целей создание отдельных сверхдорогих мегаустановок.
В марте этого года команда получила грант на 4 года по теме «Разработка инновационных технологий в физике поляризованных пучков для реализации программы поляризационных исследований в комплексе NICA, ОИЯИ и расширения программы в область исследований фундаментальных симметрий».
____________________________
В работе принимали участие ученые из Института ядерных исследований РАН, Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, лаборатории физики ускорителей Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ и МИФИ
Исследование поддержано Российским научным фондом, грант № 22-42-04419.
Melnikov, A.A., Senichev, Y.V., Aksentyev, A.E. et al. Spinor Description of Frozen and Quasi-Frozen Spin Structures for the EDM Measurement in a Frequency Domain. Phys. Atom. Nuclei 87, 1351–1354 (2024)
Aksentev, A.E., Melnikov, A.A., Senichev, Y.V. et al. Spin-Flipping When Approaching the Resonant Energy in the Perturbed NICA Collider Facility with Bypasses. Phys. Atom. Nuclei 87, 1363–1367 (2024)
