Суперсиметрия: студени молекули се конкурират с колайдера

В квантовата теория на полето (КТП) електроните притежават електричен диполен момент. Неговата стойност може силно да зависи от физика извън пределите на Стандартния модел – в този енергиен диапазон, с която в редица случаи може да работи Големият адронен колайдер.

Наскоро учените са определили нови граници на тази стойност с прости молекулярни снопове. И това създава трудности с простите варианти на суперсиметрията.

За разлика от протоните и неутроните електронът се смяташе за точна частица. Тоест в рамките на класическата физика той не може да притежава диполен момент, тъй като неговият заряд трябва да се разпределя по неголям обем. Както и следвало да се очаква, квантовата теория за електрона в рамките на Стандартния модел на елементарните частици не е съгласна с този постулат.

В нея електронът притежава едновременно електричен диполен момент и магнитен момент и следователно представлява въртящ се обект, който в същото време притежава заряд и обем.

Стойността на този електричен момент е изключително ниска – 10^–39 e.cm. Това поражда съществуването на виртуални двойки кварки и антикварки, които постоянно се появяват и изчезват около електрона. Но ако поместим Стандартния модел в рамките на по-широка теория, стойността на електричния момент може да стане доста по-голяма. Най-простото разширение на Стандартния модел през 80-те години станала теорията за това, че неутриното притежава маса. Ние знаем за това поне от 20 години благодарение на първите потвърждения на неутринната осцилация.

Увеличението на стойността на електричния момент на електрона така или иначе остава незначително, но всичко се променя за моделите, които позволяват да се обясни произходът на масата на неутриното. Отчитането на тази маса се допуска, но не се изисква за симетрия въз основа на Стандартния модел, само че не ни е известен нейният произход. Какъвто и да е той, измерен, различен от нула диполен момент (тоест доказателство за „форма” на електрона), може да открехне вратата на новата физика.

Изпитание за теорията на великото обединение

Физиците прекрасно разбират това и вече не една година търсят начини да измерят електричния момент. Проведеният през 2011 година опит на американски и канадски физици от обединението Advanced Cold Molecule EDM Experiment (AСМЕ) е поставил сериозни ограничения пред новата физика.

От него следва, че значението на електричния диполен момент на електрона не може да превишава 8,7 × 10^–29 e.cm. Тази нова стойност противоречи на разнообразните модели на суперсиметрията и теорията на великото обединение.

Тези модели предполагат съществуването на нови частици, които въздействат върху стойността на електричния диполен момент на електрона в допълнение към кварките от Стандартния модел.

За постигането на тези резултати учените използвали един ловък похват, който обясняват в статия в arxiv. Както и в предишния опит, те започнали със създаването на молекулярен сноп от студени молекули, тоест създали нещо от рода на струи газ с много ниска температура.

Изследователите целенасочено избрали за експеримента популярните молекули ториев оксид, тъй като тези молекули пораждат изключително силни електрични полета, които въздействат на присъстващите електрони на определени енергийни нива. Електричният диполен момент на електроните е пропорционален на техния спин, така че те могат да осъществяват ясно определено прецесионно движение при попадане в елекрично и магнитно поле.

Ако се въздейства на споменатите енергийни нива с лазерни импулси и се потопи молекулярният сноп във външни електрични и магнитни полета, това прецесионно движение ще стане чувствителен показател на стойността на електричния момент на електрона. И то може да се измери по непряк път с помощта на спектроскопия.

Суперсиметричните частици вероятно са много тежки

Ако се вярва на физиците, получената от тях нова пределна стойност на електричния момент от 8,7 × 10^–29 e.cm ограничава проявата на нарушаването на СР-инвариантността, която ние искаме да изучим с помощта на Големия адронен колайдер.

Разбирането на причините за СР-инвариантността, която се съдържа в знаменитата матрица на Кабибо-Кобаяши-Маскава (СКМ матрица), може да доведе до разгадаването на антиматерията. Освен това най-простите модели на суперсиметрията позволяват да се оценят СР-нарушенията в СКМ матрицата.

Според физика Адам Фалковски в рамките на теорията на суперсиметрията най-простите обяснения на резултатите от работата на физиците от АСМЕ подразбират, че суперсиметричните частици партньори от Стандартния модел имат маса над 10 тераелектронволта, а не под 1 TeV, както се смяташе по-рано.

В бъдеще е необходимо да се прецизират още повече резултатите от опита на АСМЕ, които заедно с някои открития, направени с помощта на Големия адронен колайдер, ще помогнат за напредък във физиката отвъд Стандартния модел.

Източник: РИА Новости / Futura-Sciences