В лабораториях ученых

Вопрос о том, из каких «кирпичиков» изначально построена Вселенная и какие силы действуют между ними, является не только предметом интенсивных исследований, но и причиной жарких споров в научном сообществе. В настоящее время наиболее успешной и популярной теорией, описывающей образование материи, является так называемая Стандартная модель. Согласно ее основным принципам наш мир состоит из элементарных частиц, между которыми существует три типа взаимодействий: электрические, слабые и сильные. Замечательным достоинством Стандартной модели является то, что все эксперименты ХХ века хорошо с ней согласуются – подтверждают ее предсказания. Но есть у нее и свои недостатки: она не описывает темную материю, темную энергию, гравитацию, происхождение массы, существенное преобладание материи над антиматерией в видимой Вселенной. Поэтому учеными постоянно предпринимаются активные попытки найти «Новую физику», которая бы расширила Стандартную модель и устранила ее недостатки. Одним из наиболее популярных направлений поиска «Новой физики» является экспериментальное обнаружение и измерение электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона. Эта физическая характеристика показывает, говоря простым языком, как разнесены внутри частицы ее материальный и зарядовый центры. Учитывая, как мал сам электрон, можно представить себе, насколько ничтожной величиной является эта разница, и насколько точны должны быть эксперименты по ее измерению. В чем же значимость такой, казалось бы, малости? Во-первых, дело в том, что Стандартная модель утверждает, что зарегистрировать ЭДМ электрона на современном уровне развития экспериментальных методов невозможно. Однако многие ее расширения предсказывают существенно более высокие значения этой величины, достичь которых вполне возможно. Так что поиск ЭДМ электрона является удобным способом проверки теории. Во-вторых, обнаружение у элементарных частиц ненулевого ЭДМ может пролить свет на еще один важный аспект устройства мира, который не объясняется в рамках Стандартной модели. Это существование и проявление фундаментальных взаимодействий, нарушающих не только пространственную (Р) четность, но и временнýю инвариантность (T), то есть свойства величин оставаться неизменными при обращении пространства и времени. По этим причинам поиск ЭДМ элементарных частиц рассматривается как одна из актуальнейших проблем современной физики. В 70-е – 80-е годы прошлого века российскими теоретиками, В.А. Онищуком из ОИЯИ (Дубна), Л.Н. Лабзовским, работающим в ПИЯФ и СПбГУ, О.П. Сушковым, В.В. Фламбаумом и И.Б. Хрипловичем из НГУ (Новосибирск), было показано, что очень перспективными в плане измерения ЭДМ электрона могут быть эксперименты, проводимые на молекулах или твердых телах, содержащих тяжелые атомы. В таких соединениях достижимы чрезвычайно сильные внутренние электрические поля, действующие на электроны. Энергия взаимодействия ЭДМ электронов с таким электрическим полем может быть достаточно большой, чтобы ее можно было измерить. Однако для того, чтобы из экспериментальных данных можно было бы «извлечь» значение ЭДМ электрона, необходимо теоретически рассчитать величину внутреннего электрического поля в молекуле, что является отнюдь не простой задачей. Практически единственным научным коллективом, который может выполнять теоретические исследования всего спектра свойств молекул с тяжелыми атомами, необходимых для экспериментов по поиску ЭДМ электрона с достаточной для экспериментаторов точностью, является теоретическая группа ПИЯФ в составе к.ф.-м.н Л.В. Скрипникова и Н.С. Мосягина, к.х.н. А.Н. Петрова и д.ф.-м.н. А.В. Титова. В декабре 2013 г. в авторитетном журнале «Journal of Chemical Physics» была опубликована статья нашей группы, где приведены результаты расчетов эффективного внутреннего поля и других характеристик молекулы оксида тория ThO, которые требуются для эксперимента по измерению ЭДМ электрона. Для проведения этих вычислений был использован экономичный метод, предложенный и развиваемый нашей группой, основанный на разработанных нами теоретических методах неэмпирических релятивистских расчетов электронной структуры молекул с тяжелыми атомами. «Неэмпирический» в названии метода означает, что расчеты проводятся без привлечения известных экспериментальных данных о структуре молекулы, а только исходя из знания числа электронов, количества и заряда атомных ядер в ней, а «релятивистский» - что он учитывает важные физические эффекты, возникающие из-за увеличения скорости движения электронов в атомах тяжелых элементов, так называемые релятивистские эффекты. Все эти факторы обеспечивают точность и независимость получаемых результатов. Почти одновременно с нашей работой, в январе 2014 г. в ведущем мировом научном журнале «Science» была опубликована статья экспериментаторов из США (ACME Сollaboration) по измерению частоты прецессии (постепенного поворота) магнитного момента молекулы того же оксида тория (ThO), находящейся во внешнем электрическом поле. Об эксперименте ACME можно прочитать в популярной статье Игоря Иванова, размещенной на сайте «elementy.ru» 30.12.13г. Отношение частоты, полученной в эксперименте ACME, и энергии, вычисленной нашей группой, дает новое значение, а вернее ограничение этого значения, для ЭДМ электрона. Согласно этим работам ЭДМ электрона должен быть меньше 8.7×10^-29 е∙см, т.е. сдвиг зарядового центра электрона от его центра массы (материального центра) меньше, чем на 8.7×10^-29 сантиметра. Для сравнения: если бы сантиметр имел размер расстояния от Земли до солнца, то полученное ограничение на сдвиг центра заряда электрона было бы в 60 раз меньше размера самого маленького атомного ядра – ядра атома водорода. Конечно, в повседневной жизни трудно даже вообразить столь малую величину, но следует сказать, что новое полученное ограничение более чем на порядок превосходит ограничения, полученные в 2011 году на молекуле фторида иттербия (YbF), и в 2002 году на атоме таллия. В этом и состоит замечательное достижение проведенных работ, поскольку экспериментальное наблюдение величины ЭДМ электрона на уровне, существенно большем, чем 10^−^38 е∙см, предсказанном в рамках Стандартной модели, и будет свидетельствовать о наличии Новой физики. Учитывая, насколько беспокоит ученых «недостаточность» Стандартной модели для объяснения асимметрии Вселенной в смысле преобладания материи над антиматерией, а также другие ее недостатки, неудивительно, что активность в области обнаружения ненулевого ЭДМ в последние годы значительно возросла. Чувствительность нового поколения подготавливаемых на молекулах экспериментов по поиску ЭДМ электрона на один-два порядка лучше, чем у полученного на ThO ограничения. Даже если в этих экспериментах будут получены ограничения на величину ЭДМ электрона в данном диапазоне, их результаты драматически повлияют на все популярные расширения Стандартной модели. Так что, возможно, мы находимся на пороге серьезных перемен во взглядах на устройство материи, и в этих ожидаемых открытиях есть и вклад сотрудников ПИЯФ. д.ф.-м.н. Титов Анатолий Владимирович