В първите мигове на нашата Вселена безброй протони, неутрони и електрони са се образували заедно със своите аналози от антиматерия. С разширяването и охлаждането на Вселената почти всички тези частици материя и антиматерия се срещнали и анихилирали взаимно, оставяйки след себе си само фотони или светлинни проблясъци.
И ако Вселената беше напълно симетрична, с равни количества материя и антиматерия, това щеше да е краят на историята - и ние никога нямаше да съществуваме. Но трябва да е имало дисбаланс - някакви остатъци от протони, неутрони и електрони, които са образували атоми, молекули, звезди, планети, галактики и накрая - хора.
"Ако Вселената бе идеално симетрична, тогава нямаше да остане нищо друго освен светлина. Това е изключително важен момент в историята. Изведнъж във Вселената има неща и въпросът е защо?", коментира сътрудникът на Обединения институт по лабораторна астрофизика JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) и Националния институт за стандарти и технологии (The National Institute of Standards and Technology, NIST) Ерик Корнел (Eric Cornell). "Защо съществува тази асиметрия?"
Математическите теории и уравнения, които обясняват нашата Вселена, изискват симетрия. Теоретиците на елементарните частици са усъвършенствали тези теории, за да се справят с наличието на асиметрия. Но без доказателства тези теории са само математика, обяснява Корнел, така че експерименталните физици, включително неговата група в JILA, търсят признаци на асиметрия във фундаменталните частици като електроните.
Сега групата на JILA е направила рекордно измерване на електроните, което стеснява търсенето на източника на тази асиметрия. Нейните открития са публикувани в Science. Едно от местата, където се търсят доказателства за асиметрия, е електрическият диполен момент на електрона (eEDM). Електроните се състоят от отрицателен електрически заряд, а eEDM показва колко равномерно е разпределен този заряд между северния и южния полюс на електрона. Всяко измерване на eEDM над нулата би потвърдило асиметрията, електронът би бил по-скоро яйцевиден, отколкото сфера. Но никой не знае колко малко може да е това отклонение.
"Необходимо е да поправим математиката си, за да бъде по-близо до реалността", отбелязва Таня Руси (Tanya Roussy), дипломант в изследователската група на Корнел в JILA. "Търсим местата, където може да съществува тази асиметрия, за да можем да разберем откъде се е появила. Електроните са фундаментални частици и тяхната симетрия ни говори за симетрията на Вселената."
Корнел, Руси и техният екип от NIST и JILA наскоро поставят рекорд за прецизно измерване на eEDM, подобрявайки предишните измервания 2,4 пъти.
Колко точно е това? Ако електронът бе с размерите на Земята, тяхното изследване установява, че всяка съществуваща асиметрия би била по-малка от радиуса на един атом, обяснява Руси.
Тя допълва, че е изключително трудно да се направи толкова точно измерване, така че групата е трябвало да прояви находчивост. Изследователите използват молекули на хафниев флуорид. Ако приложат силно електрическо поле към молекулите, несферичните електрони ще поискат да се подравнят с полето, като се преместят вътре в молекулата. Ако са сферични, електроните няма да се преместят.
С помощта на ултравиолетов лазер те отнемат електроните от молекулите, създавайки набор от положително заредени йони, и ги улавят. Променяйки електромагнитното поле около капана, молекулите се принуждават да се подравнят или да не се подравнят с полето. След това изследователите използват лазери, за да измерят енергийните нива на двете групи. Ако нивата им се различават, това означава, че електроните са асиметрични.
Експериментът им позволил да имат по-дълго време за измерване в сравнение с предишни опити, което им осигурило по-голяма степен на точност. Независимо от това, измерванията на екипа показват, че електроните не променят енергийните си нива, което показва, че доколкото в момента можем да измерваме, електроните са абсолютно радиално симерични.
Няма гаранция, че някой ще намери ненулево измерване на eEDM, посочва Корнел, но това ниво на точност от настолен експеримент е постижение. То показва, че скъпите ускорители на елементарни частици не са единственото средство за изследване на тези фундаментални въпроси за Вселената и че има много пътища, които могат да се опитат. И макар че групата не е открила асиметрия, нейният резултат ще помогне на изследователите да продължат да търсят отговори на въпроса за асиметрията на ранната Вселена.
"Открихме, че до момента на нашето измерване електронът е симетричен. Ако бяхме установили, че е различен от нула, това щеше да е голям проблем", добавя Руси. "Най-добрият залог е да има екипи от учени по целия свят, които да разглеждат различни варианти. Ако всички продължим да изследваме истината, в крайна сметка някой ще я открие".
Справка:
Tanya S. Roussy et al, An improved bound on the electron's electric dipole moment, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg4084
Mingyu Fan et al, Probing fundamental particles with molecules, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi8499, www.science.org/doi/10.1126/science.adi8499
Източник: Why does matter exist? Roundness of electrons may hold clues, Rebecca Jacobson, National Institute of Standards and Technology