Физики из США решили при помощи радиоактивного изотопа радия-225 проверить симметрии уравнений физики элементарных частиц относительно обращений времени и координат. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters.
T- и P-симметрии (относительно замены времени и пространственных координат на противоположные, то есть со знаком минус, соответственно) уравнений Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц связаны с фундаментальными свойствами мира. В частности, существует так называемая CPT-теорема, согласно которой уравнения СМ должны оставаться неизменными относительно замены временных и пространственных переменных на противоположные, а частиц — на античастицы (P-преобразование).
Невыполнение CPT-теоремы может означать нарушение принципа относительности Альберта Эйнштейна, а ее выполнение приводит к непротиворечивости существования вселенной, состоящей из антиматерии. Нарушение этого принципа в СМ может свидетельствовать о «новой физике» и необходимости построения теории, в которой бы CPT-теорема выполнялась.
Из CPT-теоремы следует, что нарушение одной из симметрий сопровождается нарушением комбинации двух других симметрий. В частности, если нарушена T-симметрия, то должна быть нарушена и CP-симметрия. В СМ эти симметрии нарушаются в слабых взаимодействиях. За открытие нарушения CP-симметрии в распадах нейтральных каонов американские физики Джеймс Кронин и Вал Фитч в 1980 году получили Нобелевскую премию.
Искать нарушение фундаментальных симметрий физики предложили при помощи измерения электрического дипольного момента (ЭДМ) ядра радиоактивного изотопа радия-225. ЭДМ описывает неравномерность распределения электрического заряда внутри частицы, в частности, ядра. ЭДМ частицы проявляется, когда последняя помещается в магнитное или электрическое поля. В случае, если она находится вне них, ее ЭДМ должен быть равен нулю.
Согласно СМ, атомы любых элементов могут иметь ненулевое, но малое значение ЭДМ. Ученые выбрали изотоп радия-225, поскольку его ядро имеет искаженную грушеподобную форму, а теоретические расчеты показывают, что оно может быть чувствительным к нарушающим симметрию взаимодействиям. В частности, ядро радия-225 может иметь большой ЭДМ, что предсказывается рядом теорий, описывающих нарушение симметрии между веществом и антивеществом во Вселенной.
Для обнаружения ненулевого ЭДМ физики предложили при помощи лазеров заманить в ловушку и охладить (замедлить до низких скоростей) облако с атомами радия. Далее при помощи излучения с круговой поляризацией ученые выровняли ядерные спины частиц, а затем начали отслеживать частоту их прецессии при помещении системы в магнитные и электрические поля. Поскольку частота прецессии зависит от ЭДМ, измерение первой позволило ученым получить верхнее ограничение на величину последней, которое оказалось равным 5×10-22 (заряда) электрона на сантиметр (с доверительным интервалом в 95 процентов).
Это ограничение является менее строгим, чем полученные ранее данные для ртути, однако, как отмечают экспериментаторы, усовершенствование установки и использование более интенсивных источников изотопов позволит повысить точность измерений до рекордных значений.