Dešifrovanje unutrašnje strukture slavne čestice moglo bi da pomogne u rešavanju misterije Vasione

Kliknite na liustracije da se uveaju

Prisustvo momenta električnog dipola značilo bi da elektroni, koji zuje oko atomskog jezgra, imaju unutrašnju strukturu. ©galinka86/dreamstime.com

Dugo se mislilo da je elektron tek mrlja negativnog naelektrisanja, ali vrlo je moguće da u svojoj strukturi krije iznenađenje.

Elektron je prva otkrivena elementarna čestica, prva kojoj je izmereno naelektrisanje, ali i inspiracija za matematičke jednačine koje su nagovestile da postoji antimaterija, egzotični, suprotno naelektrisani, pandan običnoj materiji.

Sada smo u poziciji da krenemo dalje sa proučavanjem elektrona, što bi nam pomoglo da shvatimo zašto je u ranoj Vasioni materija trijumfovala nad antimaterijom. Teorijski, u Velikom prasku trebalo bi da su materija i antimaterija bili jednako zastupljeni, ali da je bilo tako, oni bi se međusobno poništili i za njima ne bi ostalo ništa.

Mada standardni model fizike čestica i matematički okvir, kojima se objašnjava kako se sve držalo na okupu, ne mogu da pruže odgovor na to kako je materija pobedila antimateriju, neke teorije idu dalje i obećavaju. Pažljivim premeravanjem elektrona, naročito svojstva poznatog kao električni dipolni moment, EDM, naučnici se nadaju da će suziti broj teorija u kojima bi se najbolje reflektovala stvarnost.

"EDM u elektronu je "mesto" na kojem postoji velika šansa da se otkrije novi fenomen koji ne može da bude objašnjen standardnim modelom, a koji bi pomogao da se objasni neravnoteža materije i antimaterije u Vasioni", kaže fizičar David DeMille sa Yale University.

Detektovanjem električnog dipolnog momenta u elektronu potvrdila bi se teza da elektron poseduje neki oblik unutrašnje strukture, što jeste čudan koncept s obzirom da se radi o čestici za koju se pretpostavlja da tek zuji oko jezgra atoma i molekula, i da ima masu skoncentrisanu suštinski u "tački" koja nema veličinu. Još niko nije izmerio EDM, ali stručnjaci nalaze da bi on trebalo da postoji, i da bi mogao da se detektuje u današnjim modernim laboratorijama.

"Postoje dobri teoretski razlozi zbog kojih mislimo da nismo daleko od otkrića", kaže fizičar Larry Hunter sa Amherst College u Massachusetts, koji traga za EDM u elektronu od 1980-tih. "Život smo posvetili ovome, zato što realno postoji dobra šansa da uskoro nešto iskrsne".

Da bi odgovorili na izazov, istraživači pokušavaju na nekoliko načina da dođu do rezultata. Vrše se istraživanja na ultra rashlađenim atomima, "nakrivljenim" molekulima i namagnetisanoj keramici. Tim sa Imperial College London očekuje da će u nekoliko narednih meseci moći da objavi poslednju moguću graničnu vrednosti elektronovog EDM, što će biti prvi takav napredak u poslednjoj dekadi.

Stvarno izmereni EDM "Bio bi veliko, veliko otkriće", kaže Eugene Commins, fizičar sada u penziji sa kalifornijskog univerziteta Berkley. "To će biti za Nobelovu nagradu".

Šta se nalazi unutra

Pretpostavku da postoje električni dipolni momenti fizičari zasnivaju na tome što ovi dozvoljavaju česticama da naruše ono što se naziva vreme-unazad simetrija (time-reversal symetry). Mada simetrija zvuči kao dobra stvar, naučnici znaju da se u procesima u kojima su uključene druge čestice, (kao što su B mezoni), ove drugačije ponašaju bilo da se kreću napred ili nazad, što narušava simetriju u odnosu na vremensku inverziju. Da bi se ovo desilo, elektron (i druge elementarne čestice) mora da ima neku unutrašnju strukturu, nešto što bi električni dipolni moment mogao da otkrije.

Da biste stekli predstavu o električnom dipolnom momentu, zamislite elektron u "oblaku još koječega, nalik prašini i prljavštini oko onog Pig-pena, karaktera iz crtaća Čarli Brown", kaže DeMille. Naduvajte taj elektron do veličine Zemlje, pojaviće se ekstra pozitivno naelektrisanje kao malo udubljenje na severnom polu, a mala izbočina ekstra negativnog naelektrisanja na južnom polu. U tim srazmerama, veličina udubljenja ili ispupčenja korespondirala bi dodavanju ili oduzimanju ne više od približno hiljaditog dela širine ljudske dlake na oba kraja planete.

Promenom smera spinovanja čestice menja se smer magnetnog dipola (plavo) ali ne električnog dipola (zeleno). Ovo znači prisustvo EDM kojim se otvara put čestici da naruši simetriju u odnosu na vremensku inverziju. Physics World December 2009.

Prema standardnom modelu električni dipol momenta elektrona manji je od 10^-38 u jedinicama elektronovog naelektrisanja puta centimetri. To je ekvivalent razdvajanja elektrona i čestice sličnog naelektrisanja na razdaljinu 10^-38 centimetara, ili stoti deo hiljaditog dela milijarditog milijarditog milijarditog dela centimetra. Ali proširenjem standardnog modela električnom dipolnom momentu dozvoljeno je da bude veći, između 10^-25 i 10^-30. Tim Commison objavnio je 2002. do sada najbližu graničnu vrednost: 1.6 × 10^-27. Što je dobar znak da su naučnici na tragu, i da bi mogli da ulove "zverku".

Svaki put kada bi naučnici, uprkos povećanju preciznosti u merenju, omanuli da detektuju EDM, ipak bi uspeli da pomere graničnu vrednost ka onoj koliki bi on mogao da bude. Kao kad spuštate prečku u limbo igri, sve niže i niže, i onda teoretičarima sve teže mogu da "prođu" pojedine ideje kojima objašnjavaju kako Vasiona funkcioniše. "Dobar teoretičar može da složi model za sat vremena, a onda ti treba 20 godina da mu ga srušiš," kaže Commis.

Trenutna granična vrednost već je pobila najjednostavniju verziju popularne ideje o supersimetriji, kojom se neravnoteža kosmičke materije/antimaterije objašnjava time da svaka čestica ima do sad neviđenog "superpartnera". Ako istraživačima pođe za rukom da dođu do vrednosti 10^-29 , to će ugroziti drugu ekstenziju standardnog modela u kojoj se problem pokušava rešiti pretpostavkom da postoje višestruke vrste čestice poznate kao Higsov bozon, za čiju detekciju je dizajniran Evropski veliki hadronski kolajder (ELHC).

Da bi izmerili EDM elektrona, fizičari treba pažljivo da posmatraju elektron u momentu kada uključe električno polje i pažljivo ispituju eventualnu promenu u spinu čestice. Tako nešto bi upućivalo na postojanje električnog dipolnog momenta. Zbog povezanosti elektriciteta i magnetizma, (kretanje elektrona proizvodi magnetizam), uočiti takvu promenu najteža je stavka. Jer, lako se može desiti da kada primenite spolja električno polje slučajno promenite magnetno polje. Kada se to desi, elektron menja spin na neželjen način, koji je samo oponašanje onog kako bi trebalo da reaguje kad bi imao EDM.

Da bi ovome doskočili i uvećali svoje šanse da detektuju EDM naučnici su smislili vreću trikova kako da posmatraju elektron što je moguće duže, uveličavaju njegovu reakciju i maksimalno uklone mogućnost da do greške dođe zbog nekog dejstva spolja. Posao je  pipav i frustrijaći. U Amerst, Hunter je proveo godine na usavršavanju eksperimenta na atomima cezijuma, 1989. objavio graničnu vrednost, da bi ga Commins već sledeće godine pretekao. Commisnsov tim, sa Berkeley, tražio je električni dipolni moment u atomima talijuma u sitne sate ujutru, kada nije bilo vozova na pruzi u kraju koji bi mogli da ugroze eksperiment.

Izbor materijala

Otada, međutim, zahvaljujući napretku u hvatanju i hlađenju atoma pomoću lasera, proučavanje atoma je napredovalo. Jedan eksperiment, na bazi proučavanja atoma i koji obećava, osmišljen je u laboratoriji David Weiss na Pennsylvania State University u University Park. Smislili su kako da zarobe atome cezijuma na dva mesta sa suprotno orijentisanim električnim poljem. Uključenjem spoljnog električnog polja na celu stvar trebalo bi da dobiju jednaku reakciju elektrona u oba područja. A budući da su polja suprotne orijentacije u startu, svaka promena koja iskrsne u testu trebalo bi da bude očigledna.

Trenutno Weiss-ov tim priprema opremu i nada se da će uskoro da krene sa postavljanjem atoma. Odatle, međutim, analize mogu da potraju godinama. "Pravo pitanje je do koje granice imaš kontrolu nad sistematskim greškama", kaže Weiss. "Moraš da budeš siguran da je imaš".

Drugi naučnici razvijaju drugačiji pristup, tako što električni dipolni moment traže u molekulama. Polarni molekuli, koji imaju jedan kraj sa lagano pozitivnim naelektrisanjem a drugi sa malkice negativnim, izgledaju naročito obećavajuće. U polarnim molekulima sa jednim teškim i jednim laganim atomom, elektroni zuje oko teškog brže, kao kometa u Sunčevom sistemu pri prolazu pored Sunca. Ovde se elektroni kreću gotovo brzinom svetlosti, što naravno uvećava reakciju elektrona na primenjeno električno polje, podižući rampu za bilo kakav signal dipolnog momenta.

Kockari Las Vegasa bi profitirali kad bi se kladili na iterbijum florid (ytterbium fluoride), pošto svi su izgledi da će se na njemu postaviti najnovina vrednost za EDM elektrona. Tim predvođen fizičarom Edward Hinds, sada na Imperial College London, koriste YbF u ovoj potrazi od 1993., i predali su rad u kojem opisuju poslednju granicu za publikaciju.

Za razliku od atoma koji mogu biti uhvaćeni na mestu za trenutak, teški molekuli mogu biti proučavani samo u letu: tim istraživača pravi zrak od njih i traži EDM signal kako ovi proleću. Trenutno mogu detektovati tek jedan u svakom 100 YbF molekulu koji projuri, ali rade na novom izvoru koji odašilje 10 puta više molekula sa jednom trećinom brzine. Pošto je osetljivost eksperimenta proporcionalna vremenu u kojem istraživači mogu da proučavaju molekul, sledeća generacija trebalo bi da bude 10 puta uspešnija u otkrivanju električnog dipolnog momenta, kaže Hinds.

Grupa ima planove da krene sa novim izvorom i radom na njemu uskoro, i da za nekolko narednih godina smanji granicu na 10^-29, što bi značilo da je električni dipolni moment konačno detektovan. "Zamislivo je da ga jednostavno nema", kaže Hindu. "Ali trebalo bi da postoji dipolni moment, osim ako se ne desi nešto neuobičajeno".

Gerald Gabriesel sa Harvardskog univerziteta (na slici) i kolege traže znakove prisustva EDM u molekulima torijum monoksida. Signal bi bio neverovatno slab i zato su neophodni veoma osetljivi instrumenti. Kris Snibbe/Harvard Univ.

Hind je zagrejan za još jedan eksperiment sa molekulima. Pod vodstvom DeMille sa Geraldom Garielse i Johnom Doyle sa Harvarda izabrali su molekul torijum monoksida, zato što bi on prirodno prilično podigao signal električnog dipolnog momenta. Pulsom laserske svetlosti prvo isparavaju malo torijum dioksida, onda dobijene molekule torijevog monoksida postroje u zrak u kom svi spinuju u istom smeru. Potom, primenjujući električno polje, pokušavaju da ustanove da li se promenio spin elektrona unutar molekula, kao što bi trebalo da jeste ako je prisutan električni dipolni moment.

"Signali za kojima tragamo su nezamislivo slabašni", kaže DeMille. "Nije teško zamisliti efekte koji mogu da oponašaju sićušnu stvar koju tražite, i nemaju nikakve veze sa električnim dipolnim momentom...Ako greškom primenite malo magnetno polje koje se promeni sa električnim poljem, to je stvarno opasna greška".

Samo napred

Jedna druga grupa se odvažila na drugačiji pristup molekulama: sljušte jedan elektron, tako da molekul ima pozitivno naelektrisanje. Pošto su naelektrisanui, ovakvi molekularni joni mogu lako da budu izdvojeni i proučavani.

Trend sa primenom jonizovanih molekula započeo je Eric Cornell, fizičar sa Nobelom sa JILA u Boulder, Colo. pre sedam godina, kada je odlučio da krene od nule i osmisli eksperiment u potrazi EDM. Izašao je u hodnik, liftom se spustio do kancelarije JILA teoretičara Johna Bohna, dao mu gomilu debelih fascikli, svaka sa jednim kandidatom molekula, i zamolio ga da izračuna koji molekularni jon ima najbolje šanse za proučavanje električnog dipolarnog momenta.

Na nekoliko papira kasnije, Bohn je dobio listu kandidata. Svi su imali čudno svojstvo da imaju elektrone koji su u takozvanom "triplet delta" stanju. To svojstvo olakšava merenje dipolnog momenta zato što kada naučnici uključe električno polje, mogu istovremeno da registruju svako prisustvo magnetnog polja, što je inače najveći problem pri merenju. "Na neki način imate u samom molekula ugrađen način kako da posmatrate šta radi magnetno polje", kaže Aaron Leanhardt, bivši postdoc na Cornell laboratoriji koji sada radi na Mičigan univerzitetu u Ann Arbor.

Cornell se priprema za eksperiment u kojem će da vrši merenja u jonima hafnium fluorida plus, u "triplet delta" stanju. Međutim malo se zna o ovim molekularnim jonima, tako da tim prvo mora da istraži osnovna fizička svojstva istih. "Tek mapiramo ovu terra incognita", kaže Cornell. Kada stigne do merenja dipolnog moment, kaže, "Mislim da ću to bolje odraditi".

Među naučnicima ima i onih koji nisu raspoloženi da rade sa atomima i molekulima, već umesto toga eksperimentišu sa većim komadima čvstog materijala. Taj materijal sadrži nepoznat broj elektrona za merenje; ideja je da se pomoću električnog polja izdvoji frakcija elektrona sa spinom u smeru naelektrisanog polja. Zatim pokušavaju da detektuju rezultirajući magnetizam, koji u ovom slučaju ne predstavlja problem, već stvarni signal koji pokušavaju da izmere.

Na Yale univerzitetu, fizičari Steve Lamoreaux and Alex Sushkov misle da bi vredelo pokušati sa keramičkim materijalom čiji elektroni spinuju prirodno postrojeni, svojstvo koje uvećava efekat primenjenog električnog polja. Na uzorak materijala veličine novčića uronjenog u tečni helijum pušta se visoka voltaža. Kada se primeni električno polje, pomoću super osetljivog magnetometra snimaju magnetizaciju u keramici. "Proučavamo sve fizičke promene na uzorku da budemo sigurni da ono što detektujemo jeste zbog EDM a ne nečeg drugog", kaže Sushkov.

Koji će od ovih pristupa detektovanja električnog dipolnog momenta uspeti, i kada, ostaje da se vidi. Nakon što Imperial tim objavi svoje rezultate, trka će biti da se vidi ko će sledeći "spustiti prečku", ili čak detektovati sam EDM. Mnogi se klade na De Milleov tim koji koristi torijum monoksid, mada su i oni skoro naišli na neočekivane teškoće.

Čak i ako neki od timova uspe da detektuje električni dipolni moment, tu neće biti kraj poslu. Biće neophodno da barem još jedna grupa, poželjno koja je imala sasvim drugačiji pristup, dobije rezultat što bi onda potvrdilo postojanje EDM. "U tako osetljivim eksperimentima i najmanja omaška je dovoljno velika da upropasti eksperiment", kaže Cornell. "Stvarno poželite da i onaj sa drugačijim pristupom uspe, da biste imali kredibilitet".

Hunter je skoro odustao od jednog eksperimenta sa keramikom, jer je procenio da su mu slabe šanse za uspeh. Kaže da jedva čeka da vidi koji tim će prvi stići do cilja.

"To je polje visokog rizika", primećuje. "Vrlo lako može da vam se desi da ceo radni vek provedete radeći na tome, kao ja uostalom, i da opet ne dođete do rezutata. S druge strane, ako uspete da podignete osetljivost do tačke gde možete nedvosmisleno da vidite elektronov EDM, onda je to stvarno nešto. Na neki način uzdrmaće same osnove fizike, a to je jako uzbudljivo i o čemu svi sanjamo".

Malo istorije

Elektron je u središtu mnogih naučnih otkrića na početku 20tog veka. Otkriće električnog dipolnog impulsa moglo bi još jednom da dovede česticu u žižu interesovanja.

 

1897 J.J. Thomson otkriva elektrone, nazvavši ih "zrncima/telašcima" ("corpuscles"), otkrivši na taj način da je atom deljiv.

1900 Henri Becquerel, koji je otkrio radioaktivnost, pronalazi da su beta čestice zapravo elektroni.

1913 Robert Millikan objavljuje rezultate svog slavnog eksperimenta sa uljanom kapi, kojom utvrđuje naelektrisanje elektrona.

1925 Samuel Goudsmith i George Uhlenbeck izlaze za tezom da elektron ima moment impulsa (angular momentum), nazvan spin.

1927 Lester Germer i Clinton Davisson (na slici gore, s leva na desno), nalaze da se elektroni pri sudaru sa kristalom rasipaju kao X zraci, što je dokaz da se čestice ponašaju i kao talasi.

1928 Paul Dirac formuliše svoju jednačinu elektrona, koja implicira postojanje antielektrona, čestica iste mase kao elektroni ali suprotnog električnog naboja.

1932 Carl Anderson otkriva antielektron, ili pozitron, čime potvrđuje postojanje antimaterije (elektron-pozitron formacija para, na slici)

Dalje od standarda

Mada električni dipolni impuls, ili EDM, još nije otkriven, u eksperimentima neprekidno dobijamo vrednosti koje su sve bliže onoj koju bi on mogao da ima. Pomeranjem ove granice, neke teorije koje idu dalje od standardnog modela u fizici, postaju bespredmentne. U narednim eksperimentima, naučnici se nadaju da će sa sigurnošću moći da odbace i neke vodeće aktuelne ideje.

Elektron EDM predikcije za neke ekstenzije standardnog modela

Tabela: Standardni model

sadašnja vrednost

buduća granična vrednost

naelektrisanje x centimetri

2. U levo-desno simetričnim modelima, čestice se ponašaju jednako čak i ako je smer njihovog spina (ili druga svojstva koju su vezana za levo-desno) obrnut.

3. Minimalni supersimetrični standardni model, ili MSSM, je ekstenzija standardnog modela po kojem svaka elementarna čestica ima svog "superpartnera". Jedna od najjednostavnijih verzija je odbačena sadašnjom graničnom vrednošću.

4. Druga verzija MSSM, koja postavlja parametar nazvan "phi" za drugačiju vrednost, još uvek je moguća, ali i ona bi mogla biti odbačena kada istraživači nastave da "spuštaju prečku".

Science News,

February 12th, 2011; Vol.179 #4 (p. 22)

Prevela T. Petrović