Вселенная скрывает важную асимметрию: физики нашли способ увидеть запрещенные сигналы

Физики разработали теоретическую схему накопительного кольца, которая позволяет измерять электрический дипольный момент (ЭДМ) протонов и дейтронов на одной установке. Работа, опубликованная в журнале Nuclear Science and Techniques, предлагает использовать метод "квазизамороженного спина" для обхода технических ограничений традиционных ускорителей. Результаты расчетов показывают, что одна конфигурация может быть адаптирована под оба типа частиц, хотя точность измерений для них будет различаться.

Зачем измерять дипольный момент

Электрический дипольный момент частицы характеризует неравномерность распределения заряда относительно ее спина. Согласно Стандартной модели, ЭДМ протона и дейтрона должен быть крайне мал (около 10^-31 e см), что находится за пределами чувствительности нынешних приборов. Однако обнаружение более высокого значения стало бы прямым доказательством существования "новой физики" за пределами текущих теорий.

Поиск ЭДМ связан с проблемой асимметрии Вселенной — тем, почему материи оказалось больше, чем антиматерии. Для объяснения этого избытка необходимо нарушение CP-симметрии (законов, при которых частицы заменяются античастицами с одновременным зеркальным отражением). Обнаружение ненулевого ЭДМ подтвердило бы наличие дополнительных источников такого нарушения.

Метод квазизамороженного спина

Для измерения ЭДМ используют накопительные кольца, где частицы движутся по кругу. Чтобы сигнал не терялся, спины всех частиц должны прецессировать согласованно. Традиционно применяется метод "замороженного спина", когда влияние магнитного момента компенсируется, и спин остается неподвижным относительно направления движения.

Проблема в том, что для протонов работает чисто электростатическое кольцо, а для дейтронов — нет (из-за разного знака аномального магнитного момента). Метод "квазизамороженного спина" решает эту задачу: спин не остается неподвижным постоянно, а отклоняется на отдельных участках, после чего специальные компенсаторы возвращают его в исходное положение. Это позволяет использовать стандартные магнитные кольца, в которые проще встроить компенсаторы.

Различия в поведении протонов и дейтронов

Авторы рассмотрели два типа компенсаторов: фильтр Вина (скрещенные поля) и электростатический дефлектор с кикером. Расчеты подтвердили, что одна установка может работать с обоими типами ядер при смене полярности компенсатора и подборе энергии пучка, но эффективность процесса различается.

Таблица показывает, что для дейтронов квазизамороженный режим почти идеален, тогда как для протонов он существенно снижает чувствительность при стандартных параметрах.

Границы точности и ограничения

Главным ограничением для протонов является длина компенсатора. Чтобы использовать одно кольцо для обеих частиц, исследователи предлагают снизить энергию протонного пучка. Это позволит сократить длину компенсатора до приемлемой, но неизбежно приведет к падению точности измерений ЭДМ протона.

Работа носит расчетный характер и определяет минимальные требования к оборудованию. Для практической реализации потребуется достичь времени спиновой когерентности в 1000 секунд и отработать методы регистрации сигнала. Авторы рассматривают возможность создания отдельного кольца в Троицке или использование комплекса NICA-Nuclotron.

Предложенная схема упрощает путь к экспериментальной проверке ЭДМ, позволяя использовать одну установку для разных задач, включая поиск аксионоподобных частиц темной материи. Однако для получения максимально точных данных по протонам в будущем всё равно потребуется переход к полностью электростатическому кольцу.