ИСТРАЖИВАЊА: У потрази за антиматеријом

На основу Стандардног модела физике честица у Великом праску настао је подједнак број честица материје и антиматерије. Како свака честица материје насупрот себи има античестицу, оне ће се у неком тренутку током милијарди година од Великог праска сударити што води до анихилације, односно међусобног уништења. Том приликом би се ослободила чиста енергија у облику електромагнетног зрачења, а читав универзум са све планетом Земљом, никада не би ни настао. Међутим, ово објашњење очигледно не описује нашу реалност. Мора бити да је у Великом праску створено макар мало више материје. Како је до овог дисбаланса дошло, питање је које већ деценијама мучи физичаре.

Један од могућих одговора могао би да се крије у неутрону, који по својој природи јесте неутрална честица, али се састоји од наелектрисаних кваркова. Од средине прошлог века физичари покушавају да открију да ли је расподела позитивно и негативно наелектрисаних кваркова центрирана у неутрону или није. Ако није, онда постоји електрични диполни моменат неутрона (nEDM), а то значи да су основне симетрије у физици честица нарушене што даље води ка нарушавању једнакости маса материје и антиматерије насталих након Великог праска. Зато је данас мерење nEDM-а један од најважнијих задатака физике. Један од тренутно најуспешнијих експеримената одвија се под окриљем интернационалне nEDM  колаборације са седиштем у Швајцарској, чији је пуноправни члан од 2018. године и Институт за физику у Београду. Ова колаборација недавно се приближила траженом одговору више него икада до сада, а резултат мерења је објављен у марту 2020. године у престижном часопису Physical Review Letters.

Експеримент је започео на југоистоку Француске, у Греноблу, али су касније швајцарски истраживачи преузели опрему и читав експеримент преселили на швајцарски државни Пол Шерер институт где су наставили да трагају за диполним моментом неутрона како би се решила ова енигма универзума. Уследиле су године побољшања и развоја експеримента. Пре свега, потребан је извор хладних неутрона. У Греноблу су се они производили у нуклеарном реактору, а у Швајцарској се користи један од најснажнијих извора протона, који је осим у оваквим истраживањима своју примену нашао и у медицини, па се теко користи и у терапијама против рака.

Др Зоран Грујић са Института за физику у Београду је од 2011. до 2018. године био на постдокторским студијама у групи професора Антоана Вајса (Antoine Weis) на Департману за физику Универзитета у Фрибоургу, у Швајцарској. Након одласка професора Вајса у пензију, др Грујић се враћа на Институт за физику у Београду где и сада ради у Центру за фотонику и наставља да сарађује са nEDM колаборацијом, што је учинило Институт њеним пуноправним чланом.

Тим професора Вајса био је задужен за развој нових технологија магнетометрије, чиме се др Грујић и даље бави. Према његовим речима, након што су развили једну врсту магнетометра и увидели зашто јој тачност није добра, почели су да развијају нову верзију која је имала мањи, но и даље значајан, проблем са тачношћу. „Мој задатак је да направим што прецизнији магнетометар, а у ту сврху се користе ћелије са антирелаксиционим слојем у којима је гас цезијума на собној температури“, каже др Грујић. Како даље објашњава, ласерском спектроскопијом паре цезијума се мери Земаново цепање енергије основног нивоа атома, те се на основу тога одређује јачина магнетног поља на том месту. Низ просторно распоређених ћелија говори о расподели јачине поља у експерименталној запремини што омогућава поправљање хомогености магнетног поља пре мерења електричног момента неутрона. Од тачности сваког магнетометра зависи колико ће тачан бити и коначни резултат мерења.

Нов рад објављен у часопису Physical Review Letters потписује више од 80 аутора из 18 институција које су део колаборације и налазе се у 8 држава. У овом раду износи се најновија вредност nEDM која показује да је ово разилажење мање од (1.1stat+0.2sys)x 10-26 e cm, што значи да је удаљеност између позитивних и негативних наелектрисања унутар неутрона засигурно мања од 1.3 x 10-26 cm.

У једном интервјуу поводом новог открића професор Вајс објашњава да се неутрон, иако неутралан, састоји од позитивно и негативно наелектрисаних кваркова, а да би постојање електричног диполног момента значило да се наелектрисање раздваја тако да на пример на северном полу неутрона постоји мали вишак позитивног, а на јужном полу мали вишак негативног наелектрисања. Управо то раздвајање се овим експериментом мери. Др Грујић још напомиње да је „вредност nEDM-а еквивалентна нули са одређеном тачношћу“. Како он каже, још увек није откривен начин да се ова особина неутрона директно измери са довољном тачношћу, већ се мерење понавља велики број пута, а као резултат се представља средња вредност мерења што јој статистички смањује грешку.

Уколико би се прецизније знала вредност nEDM-а, теорије које нису у складу са њом могле би да се одбаце. „Сваки пут када се изађе са новим резултатом, грешка се смањује и неке теорије падају у воду“, каже др Грујић. Колико је електрични диполни моменат неутрона мали сликовито описује поређење које је наведено на званичном сајту Пол Шерер института: када би неутрон био величине планете Земље, размак између позитивног и негативног наелектрисања био би мањи од десетог дела просечне дебљине људске длаке.

Мерења су тренутно обустављена јер је у току изградња новог експеримента који би требало да почне са радом 2021. године. Очекује се убрзање процеса мерења за око два пута уз квалитетнију контролу магнетног поља. У међувремену, др Грујић и његове колеге из колаборације настављају да раде на његовом унапређењу, а за новембар је планиран и састанак nEDM колаборације у Београду.

Оригинални рад у часопису Physical Review Letters: Measurement of the Permanent Electric Dipole Moment of the Neutron

Фотографије: NASA’s Goddard Space Flight Center и nEDM colaboration