Новое исследование предполагает, что многие предполагаемые тяжелые частицы, если они вообще существуют, не обладают свойствами, необходимыми для объяснения преобладания материи над антиматерией во Вселенной.
В случае подтверждения эти результаты заставят внести существенные изменения в несколько известных теорий, представленных как альтернативы Стандартной модели физики элементарных частиц, которая была разработана в начале 1970-х годов. Исследователи из Йельского, Гарвардского и Северо-Западного университетов провели исследование, которое было опубликовано 17 октября в журнале Nature.
Открытие является окном в умопомрачительную природу частиц, энергии и сил в бесконечно малых масштабах, особенно в квантовой сфере, где даже идеальный вакуум не является действительно пустым. Независимо от того, находится ли эта пустота между звездами или между молекулами, многочисленные эксперименты показали, что любой вакуум заполнен субатомными частицами всех типов - и их аналогами из антиматерии - постоянно появляющимися и исчезающими..
Одним из подходов к их идентификации является более внимательное изучение формы электронов, которые окружены субатомными частицами. Исследователи изучают крошечные искажения в вакууме вокруг электронов, чтобы охарактеризовать частицы.
В новом исследовании сообщается о работе, проделанной в рамках эксперимента Advanced Cold Molecule Electron Dipole Moment (ACME) - совместной работы по обнаружению электрического дипольного момента (EDM) электрона. ЭДМ электрона соответствует небольшой выпуклости на одном конце электрона и вмятине на противоположном конце.
Стандартная модель предсказывает чрезвычайно малую ЭДМ электрона, но есть ряд космологических вопросов, таких как преобладание материи над антиматерией после Большого взрыва, которые указали ученым в направлении более тяжелых частиц., вне параметров Стандартной модели, это было бы связано с гораздо большим ЭДМ электрона. «Стандартная модель делает прогнозы, которые радикально отличаются от ее альтернатив, и ACME может их различать», - сказал Дэвид Демилль, руководитель группы ACME в Йельском университете. «Наш результат говорит научному сообществу, что нам нужно серьезно переосмыслить эти альтернативные теории».
Действительно, Стандартная модель предсказывает, что частицы, окружающие электрон, будут немного уменьшать его заряд, но этот эффект будет заметен только при разрешении в 1 миллиард раз более точном, чем наблюдаемое ACME. Однако в моделях, предсказывающих новые типы частиц, таких как теории суперсимметрии и великого объединения, широко ожидалась деформация формы на уровне точности ACME.
«Электрон всегда несет с собой облако мимолетных частиц, искажений в вакууме вокруг себя», - сказал Джон Гилласпи, программный директор по атомной, молекулярной и оптической физике Национального научного фонда (NSF), который финансирует исследование ACME почти десятилетие. «Искажения не могут быть отделены от самой частицы, и их взаимодействие приводит к окончательной форме заряда электрона».
ACME использует уникальный процесс, который включает в себя запуск пучка холодных молекул оксида тория (ThO) - миллион молекул за импульс, 50 раз в секунду - в камеру размером с большой стол.
В этой камере лазеры ориентируют молекулы и электроны внутри, когда они парят между двумя заряженными стеклянными пластинами внутри тщательно контролируемого магнитного поля. Исследователи ACME наблюдают за светом, который излучают молекулы, когда на них наводится тщательно настроенный набор считывающих лазеров. Свет дает информацию для определения формы заряда электрона.
Управляя примерно тремя десятками параметров, от настройки лазеров до синхронизации экспериментальных шагов, ACME добился 10-кратного улучшения обнаружения по сравнению с предыдущим рекордсменом: экспериментом ACME 2014 года. Исследователи ACME заявили, что ожидают еще 10-кратного повышения точности в будущих версиях эксперимента.