Почему наблюдаемая вселенная практически не содержит антивещества? Частицы антивещества имеют одинаковую массу, но противоположны электрическому заряду своих аналогов. Очень маленькие количества антивещества могут быть созданы в лаборатории. Однако вряд ли какая-либо антивещество наблюдается в других местах вселенной.

Физики полагают, что в ранней истории Вселенной было одинаковое количество вещества и антивещества — так как же исчезло антивещество? Исследователь Мичиганского государственного университета является частью команды исследователей, которая изучает эти вопросы в статье, недавно опубликованной в Обзорах современной физики.

Джайдиг Таггарт Сингх, доцент физики МГУ в Центре редких изотопных пучков, или FRIB, изучает атомы и молекулы, внедренные в твердые тела, с помощью лазеров. Сингх имеет совместное назначение на физическом и астрономическом факультете МГУ.

Ответ может быть связан с природой сил между субатомными частицами, которые не одинаковы, когда время перевернуто. Физики предполагают, что это нарушение обращения времени является ключевым ингредиентом, необходимым для раскрытия космической тайны отсутствующего антивещества. Такие разрушающие время силы приводят к появлению в частицах свойства, называемого постоянным электрическим дипольным моментом (EDM). Более 60 лет физики искали ЭДМ с возрастающей точностью, но они никогда не наблюдали их. Однако последние теории физики элементарных частиц предсказывают измеримые ЭДМ. Это привело к всемирному поиску ЭДМ в таких системах, как нейтроны, молекулы и атомы.

В поисках ЭДМ часто участвуют атомные часы, работающие в контролируемом магнитном поле (однородном в пространстве и стабильном во времени). В электрическом поле сверхстабильные атомные часы с ненулевым EDM будут работать немного быстрее или медленнее. Успех таких экспериментов зависит от того, насколько хорошо физики могут контролировать окружающее магнитное поле и другие факторы окружающей среды.

ЭДМ атомов, таких как радий и ртуть, связаны главным образом с силами, возникающими в ядерной среде. Наилучшие ограничения для этих типов сил в настоящее время получены из атома ртути-199. Исследователи из Вашингтонского университета в Сиэтле обнаружили, что их часы с ртутью-199 теряют менее одной секунды каждые 400 веков. Этот эксперимент невозможно улучшить, если не построить часы, менее чувствительные к факторам окружающей среды. Конкурентный эксперимент, который стремится сделать именно это, — поиск EDM радия-225. Это сотрудничество между Аргоннской национальной лабораторией, Мичиганским государственным университетом и Китайским университетом науки и технологии.

Редкий изотоп радия-225 является привлекательной альтернативой. Его «грушевидное» ядро ​​(см. Рисунок) усиливает наблюдаемую ЭДМ на порядки по сравнению с почти сферическим ядром ртути-199. Для проведения конкурентного эксперимента часы радия-225 должны быть стабильными только до одной секунды каждые два года. Это сложно, но выполнимо. Чувствительность этих радиевых часов в настоящее время ограничена только небольшим количеством доступных атомов (около 0,000005 миллиграммов в день). В будущем использование еще более «грушевидных» ядер, таких как редкий изотоп протактиний-229, может повысить чувствительность этих поисков EDM еще в тысячу раз. Другими словами, конкурентный эксперимент с протактиновыми часами должен был бы быть стабильным только до одной секунды каждый день.

«Мы, все, что мы видим, и остальная часть наблюдаемой вселенной существуют, потому что антивещество исчезло во время рождения вселенной», — сказал Сингх. «Открытие нового источника нарушения обращения времени, возможно, с использованием редких грушевидных ядер, начнет объяснять, как это произошло».

FRIB будет производить большое количество грушевидных ядер, таких как радий-225 и впервые протактиний-229. Это позволит искать EDM с беспрецедентной чувствительностью, чтобы ответить на загадку антивещества .

МГУ создает FRIB как новый научный пользовательский центр для Управления ядерной физики в Управлении науки Министерства энергетики США. Строящийся в кампусе и управляемый МГУ, FRIB позволит ученым сделать открытия о свойствах редких изотопов, чтобы лучше понять физику ядер, ядерную астрофизику, фундаментальные взаимодействия и приложения для общества, в том числе в медицине, внутренней безопасности, и промышленность.