New CP-violating sources beyond the reach of EDMs

Het universum is gevuld met materie, van de sterren boven ons tot de atomen in ons eigen lichaam, maar het is een diep mysterie waarom deze materie überhaupt bestaat. Volgens de meest fundamentele natuurwetten zou de oerknal evenveel materie als antimaterie moeten hebben gecreëerd, die elkaar onmiddellijk zouden hebben geannihileerd, waardoor een leegte van pure energie zou overblijven. Het feit dat wij hier zijn, betekent dat iets de balans heeft doen doorslaan, waardoor een kleine overmaat aan materie kon overleven. Natuurkundigen noemen deze onbalans de baryonenasymmetrie. Om dit te verklaren, zoeken ze naar een specif kind type gedrag dat CP-schending wordt genoemd, een subtiel defect in de regels van de natuur dat deeltjes en hun spiegelbeeld-antideeltjes verschillend behandelt. Het huidige standaardmodel van de natuurkunde bevat wel een mechanisme hiervoor, maar dat is veel te zwak om de enorme hoeveelheid materie te verklaren die we vandaag de dag zien. Dit heeft wetenschappers ertoe aangezet om op zoek te gaan naar nieuwe, verborgen bronnen van deze asymmetrie, waarbij ze vaak kijken naar de manier waarop deeltjes draaien of interageren met elektrische velden.

Decennialang is het meest gevoelige instrument voor het opsporen van deze nieuwe bronnen het elektrische dipoolmoment geweest. Stel je een deeltje voor, zoals een elektron of een neutron, als een piepklein magneetje. Als deze magneet perfect is uitgelijnd met zijn spin, is hij gewoon. Maar als de positieve en negatieve ladingen binnenin hem iets verschoven zijn zodat ze niet in lijn liggen met de spin, ontwikkelt het deeltje een elektrisch dipoolmoment. Deze verschuiving is een direct teken dat de natuurwetten een specifieke symmetrie schenden die pariteit wordt genoemd, het idee dat het universum er in een spiegel hetzelfde uit zou moeten zien. Experimenten zijn ongelooflijk nauwkeurig geworden en meten deze deeltjes met een dergelijke precisie dat ze veel theorieën die probeerden de ontbrekende materie te verklaren, hebben uitgesloten. Als een nieuwe theorie een groot elektrisch dipoolmoment voorspelt en experimenten zien niets, dan wordt die theorie meestal verworpen.

Een nieuw artikel door Venus Keus daagt deze langgehouden aanname uit door een klasse van nieuwe fysica voor te stellen die simpelweg niet gezien kan worden door deze elektrische dipoolexperimenten. De auteur voert aan dat niet alle bronnen van CP-schending gelijk zijn. Terwijl het standaard elektrische dipoolmoment een specif kind type symmetrie-schending vereist dat het spiegelbeeld van een systeem omdraait, schenden de nieuwe bronnen die in dit werk worden geïdentificeerd een andere regel. Ze schenden de symmetrie die deeltjes verwisselt met antideeltjes, bekend als ladingconjugatie, terwijl de spiegelsymmetrie strikt behouden blijft. Omdat het elektrische dipoolmoment een eigenschap is die de deeltje-antideeltje-verwisseling respecteert, is het blind voor deze nieuwe soort CP-schending. Het is alsof de nieuwe fysica een taal spreekt die het elektrische dipoolmoment simpelweg niet begrijpt.

Om te bewijzen dat dit idee mogelijk is, construeert het artikel een specifiek theoretisch model dat een verborgen sector van deeltjes omvat. Dit model breidt de bekende familie van deeltjes genaamd Higgs-bosonen, die andere deeltjes massa geven, uit door twee extra, onzichtbare versies toe te voegen. Deze nieuwe deeltjes zijn "inert", wat betekent dat ze niet op de gebruikelijke manier met gewone materie interageren, maar ze interageren wel met elkaar en met de krachtdragers van het universum, zoals de W- en Z-bosonen. In deze verborgen sector zijn de complexe wiskundige regels die de deeltjes beheersen zo gerangschikt dat ze de noodzakelijke CP-schending creëren. Cruciaal is dat omdat deze nieuwe deeltjes scalairen zijn — deeltjes zonder intrinsieke spin — en omdat ze beschermd worden door een specifieke symmetrie die hen gescheiden houdt van gewone materie, ze de elektrische dipoolmomenten kunnen niet genereren waar experimenten naar zoeken. Het artikel demonstreert dat zelfs wanneer deze nieuwe deeltjes in de berekeningen worden opgenomen, de elektrische dipoolmomenten van bekende deeltjes zoals het elektron of neutron nul blijven, of in ieder geval zo klein zijn dat ze ondetecteerbaar zijn.

In plaats van zich te verschuilen in de schaduwen van elektrische dipoolexperimenten, onthult dit nieuwe type CP-schending zich op een andere manier: via de interacties van krachtdragers. Het artikel laat zien dat deze verborgen deeltjes een duidelijk vingerafdruk achterlaten in de manier waarop drie krachtdragers met elkaar interageren. Specifiek zouden ze de sterkte en de aard van de verbinding tussen drie bosonen veranderen, zoals twee W-bosonen en één Z-boson. Deze interacties, bekend als triple gauge couplings, zouden een specifiek patroon van symmetrie-schending vertonen dat precies het tegenovergestelde is van wat bij elektrische dipoolmomenten wordt gezien. Terwijl het elektrische dipoolmoment de spiegelsymmetrie breekt maar de deeltje-antideeltje-verwisseling respecteert, breken deze nieuwe interacties de deeltje-antideeltje-verwisseling maar respecteren zij de spiegelsymmetrie. Dit creëert een duidelijke, testbare signatuur die onzichtbaar is voor huidige dipoolzoektochten, maar die gespot kan worden in hoogenergetische botsingen in deeltjesversnellers.

De onderzoekers stellen ook een manier voor om deze ontdekking te bevestigen via een "selectieregel"-test, die berust op het observeren van hoe een enkel deeltje vervalt in verschillende aantallen fotonen of andere krachtdragers. In een wereld waarin de regels van deeltje-antideeltje-verwisseling strikt worden nageleefd, kan een neutraal deeltje niet zowel in een even als in een oneven aantal fotonen vervallen. Als een deeltje zou worden waargenomen dat vervalt in twee fotonen én ook in drie fotonen, zou dat een "smoking gun" zijn dat deze symmetrie is geschonden. Het artikel suggereert dat hoewel het standaardmodel deze regel al op zeer subtiele wijze schendt, de nieuwe verborgen sector een veel sterker effect zou produceren. Het detecteren van een dergelijk vervalpatroon, met name in het verval van het Higgs-boson of andere zware deeltjes, zou direct bewijs leveren van deze nieuwe klasse van CP-schending.

Dit werk is significant omdat het een nieuw venster op het mysterie van de materie in het universum opent. Jarenlang is de zoektocht naar de oorsprong van de materie-antimaterie-onbalans ingeperkt door de strikte beperkingen van elektrische dipoolexperimenten, wat theoretici dwong om modellen te bouwen die vaak fijn afgesteld zijn om detectie te vermijden. Dit artikel suggereert dat het antwoord misschien voor het oog verborgen ligt, in een sector van de fysica waar deze experimenten nooit voor ontworpen waren. Door de focus te verleggen naar triple gauge couplings en specifieke vervalpatronen, biedt de auteur een routekaart voor toekomstige experimenten om deze verborgen bron van asymmetrie te vinden. Indien bevestigd, zou het niet alleen een groot kosmologisch puzzelstuk oplossen, maar ook een fundamenteel andere manier onthullen waarop de natuur haar eigen symmetrieën schendt, een manier die geworteld is in de structuur van de onzichtbare deeltjes die wellicht ons bestaan hebben gevormd.