В квантовой теории поля (КТП) электроны обладают электрическим дипольным моментом. Его значение может сильно зависеть от физики за пределами Стандартной модели – в том диапазоне энергий, с которыми в ряде случаев может работать Большой адронный коллайдер (БАК). Недавно ученые определили новые границы этого значения с помощью простых молекулярных пучков. И это создает трудности с простыми вариантами суперсимметрии.
В отличие от протонов и нейтронов электрон считался точечной частицей. То есть, в рамках классической физики он не мог обладать электрическим дипольным моментом, так как его заряд должен был бы распределяться по некоему небольшому объему. Как и следовало ожидать, квантовая теория электрона в рамках Стандартной модели элементарных частиц не согласна с таким постулатом. В ней электрон обладает одновременно электрическим дипольным моментом и магнитным моментом и, следовательно, представляется вращающимся объектом, который в то же время обладает зарядом и объемом.
Значение этого электрического момента крайне мало: 10−39 e•cm. Его порождает существование виртуальных пар кварков и антикварков, которые постоянно появляются и исчезают вокруг электрона. Но если поместить Стандартную модель в рамки более широкой теории, значение электрического момента может стать намного больше. Самым простым расширением Стандартной модели 1980-х годов стала теория о том, что нейтрино обладают массой. Мы знаем об этом чуть менее 20 лет благодаря первым подтверждениям нейтринной осцилляции.
Увеличение значения электрического момента электрона все равно остается незначительным, но все меняется для моделей, которые позволяют объяснить, откуда берется масса нейтрино. Учет этой массы допускается, но не требуется для симметрии на основе Стандартной модели, однако нам неизвестно ее происхождение. Каким бы оно ни было, измерение отличного от нуля электрического дипольного момента (то есть доказательство наличия «формы» у электрона) могло бы приоткрыть дверь в новую физику.
Испытание для Теории Великого объединения
Физики прекрасно это понимают и уже не первый год ищут способы измерить электрический момент. Так, проведенный в 2011 году опыт американских и канадских физиков из объединения Advanced Cold Molecule EDM Experiment(AСМЕ) поставил серьезные ограничения перед новой физикой. Из него следует, значение электрического дипольного момента электрона не может превышать 8,7 × 10−29 e•cm. Это новое значение противоречит разнообразным моделям суперсимметрии и Теории Великого объединения.
Эти модели предполагают существование новых частиц, которые воздействуют на значение электрического дипольного момента электрона помимо пар кварков из стандартной модели.
Для достижения этих результатов ученые использовали один ловкий прием, который они объясняют в статье на arxiv. Как и в предыдущем опыте, они начали с создания молекулярного пучка из холодных молекул, то есть сделали что-то вроде струи газа с очень низкой температурой. Они обоснованно выбрали для эксперимента полярные молекулы монооксида тория, так как эти молекулы порождают чрезвычайно сильные электрические поля, которые воздействуют на присутствующие электроны на определенных энергетических уровнях. Электрический дипольный момент электронов пропорционален их спину, так что они могут осуществлять четко определенное прецессионное движение при попадании в электрическое и магнитное поле.
Если воздействовать на вышеупомянутые энергетические уровни лазерными импульсами и погрузить молекулярный пучок во внешние электрические и магнитные поля (их воздействие наложится на внутренние поля молекул монооксида тория), это прецессионное движение станет чувствительным показателем значения электрического момента электрона. И его можно будет измерить непрямым образом с помощью спектроскопии.
Суперсимметричные частицы, вероятно, очень тяжелые
Если верить физикам, полученное ими новое предельное значение электрического момента в 8,7 × 10−29 e•cm ограничивает проявления нарушения СР-инвариантности, которые мы хотим изучить с помощью БАК. Понимание причин СР-инвариантности, которое содержится в знаменитой матрице Кабиббо-Кобаяси-Масукавы (СКМ-матрица), могло бы помочь подобрать ключи к загадке антиматерии. Кроме того, самые простые модели суперсимметрии позволяют оценить СР-нарушения в СКМ-матрице.
По мнению физика Адама Фалковского, в рамках теорий суперсимметрии наиболее простые объяснения результатов работы физиков АСМЕ подразумевают, что суперсимметричные частицы-партнеры частиц Стандартной модели обладают массой более 10 ТэВ, а не менее 1 ТэВ, как считалось раньше.
В будущем мы должны продвинуться еще дальше в уточнении результатов опыта АСМЕ, которые вместе с некоторыми открытиями, сделанными с помощью БАК, помогут продвинуться в физике за пределами Стандартной модели.
