Theoretisch natuurkundigen krijgen grip op het elektrische dipoolmoment

Het eEDM-experiment in aanbouw bij het Van Swinderen Instituut in Groningen. Afbeelding: RUG.

In een nieuw artikel in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters voert een groep onderzoekers, waaronder UvA-IoP/Nikhef-onderzoekers Jordy de Vries en Lemonia Gialidi en RUG/Nikhef-onderzoeker Heleen Mulder, een theoretische studie uit naar elektrische dipoolmomenten in paramagnetische moleculen. Wereldwijd wordt in diverse experimenten gezocht naar EDM’s, omdat deze licht kunnen werpen op subtiele verschillen tussen materie en antimaterie.

In principe is antimaterie het spiegelbeeld van materie, met een tegengestelde elektrische lading. Maar zelfs binnen het Standaardmodel is de zogenaamde CP-symmetrie tussen materie en antimaterie niet helemaal perfect.

Het doorbreken van de CP-symmetrie is ook een noodzakelijk ingrediënt om een van de grote raadsels in de fundamentele fysica te verklaren, namelijk waarom het universum voornamelijk uit materie bestaat en nauwelijks uit antimaterie.

Het Standaardmodel bevat niet genoeg symmetriebreking om deze onbalans te rechtvaardigen, dus zijn natuurkundigen op zoek naar CP-symmetriebreking buiten het Standaardmodel. EDM-experimenten zijn zeer nauwkeurige instrumenten in deze zoektocht.

Tot nu toe hebben de experimenten echter voor geen enkel EDM een waarde ongelijk aan nul opgeleverd. Het staat al vast dat elk EDM zeer klein moet zijn, maar het is niet bekend of het precies nul is. Tot op heden hebben de metingen consequent bovengrenzen vastgesteld voor een dergelijke minuscule fundamentele asymmetrie.

Onder andere de Nikhef-groep aan de Rijksuniversiteit Groningen bouwt een meetopstelling om te zoeken naar het elektrische dipoolmoment van het elektron. Het experiment maakt gebruik van metingen aan bariumfluoride (BaF)-moleculen.

Elektronen in deze moleculen worden blootgesteld aan extreem sterke interne elektrische velden, die subtiele asymmetrieën aan het licht zouden kunnen brengen. De Vries en promovendus Mulder zijn als theoretici direct betrokken bij het eEDM-experiment.

Tot nu toe worden dergelijke moleculaire EDM-experimenten voornamelijk geïnterpreteerd in termen van het elektrische dipoolmoment van het elektron. Deze experimenten zijn echter ook gevoelig – zij het in mindere mate – voor mogelijke CP-schending binnen de atoomkernen in de moleculen.

Hoewel specifieke neutronen- en atoomexperimenten die gericht zijn op deze nucleaire CP-schending nog steeds gevoeliger zijn, zouden toekomstige moleculaire experimenten, zoals dat in Groningen, een groot deel van deze kloof kunnen dichten.

De Vries en zijn team bouwen een theoretische brug tussen de moleculaire metingen en mogelijke nucleaire CP-schending. De belangrijkste ontwikkeling van de PRL-studie is het aantonen hoe moleculaire metingen de elektrische dipoolmomenten van protonen en neutronen binnen atoomkernen kunnen beperken.

De PRL-studie onderzoekt ook welke bijdragen verschillende soorten fysica buiten het Standaardmodel zouden leveren aan een mogelijk gemeten EDM in dergelijke systemen. Dit kan theoretici houvast bieden in het geval van een concrete meting.