Έλεγχος του Καθιερωμένου Προτύπου με ένα "επιτραπέζιο" πείραμα ατομικής φυσικής
Σε πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters, η ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Πέτρου Ρακιτζή προτείνει έναν καινοτόμο τρόπο πειραματικού ελέγχου του Καθιερωμένου Προτύπου στα πλαίσια του πεδίου της ατομικής φυσικής, που διερευνά φαινόμενα παραβίασης της ομοτιμίας (atomic parity non-conserving effects). Τέτοιου είδους πειράματα μετρούν την ανάμειξη καταστάσεων διαφορετικής ομοτιμίας όπως αυτή γίνεται δυνατή μέσω της ανταλλαγής ουδέτερων Ζ μποζονίων κατά την ασθενή αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με τα κουάρκς (quarks) του ατομικού πυρήνα. Ακριβείς μετρήσεις της ανάμειξης αυτής διερευνούν πιθανά νέα φαινόμενα φυσικής σε υψηλότερες ενέργειες. Παραδείγματος χάριν, η μέτρηση στο Κέσιο (Cs) με ακρίβεια 0.35%, τοποθετεί το κάτω όριο για την μάζα των έξτρα Ζ' μποζονίων στα 1.4TeV/c2. Μετρήσεις με ακρίβεια μικρότερη του 0.1% αποτελούν πειραματική πρόκληση, προσφέροντας όμως τη δυνατότητα διερεύνησης καινούριων φαινομένων φυσικής σε ενέργειες που ξεπερνούν τις δυνατότητες του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Επιπροσθέτως, η εξάρτηση των φαινόμενων παραβίασης της ομοτιμίας από το πυρηνικό σπιν και τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα του ατόμου, προσφέρει την δυνατότητα μέτρησης της πυρηνικής μαγνητικής τοροειδούς ροπής (nuclear anapole moment) όπως και πληροφορίες για την κατανομή των νετρονίων στον πυρήνα. Σήμερα, οι μετρήσεις της πυρηνικής μαγνητικής τοροειδούς ροπής στο Κέσιο και στο Θάλιο βρίσκονται σε ασυμφωνία τόσο μεταξύ τους όσο και με τους θεωρητικούς υπολογισμούς, αφήνοντας ένα άλυτο πρόβλημα που απαιτεί περαιτέρω πειραματική και θεωρητική διερεύνηση. Εν εξελίξει πειράματα που μελετούν φαινόμενα παραβίασης της ομοτιμίας, εστιάζουν σε ατομικά συστήματα με μεγάλο αριθμό ισότοπων, όπως το Υττέρβιο (Yb), Φράγκιο (Fr), και Ράδιο+ (Ra+) καθώς και σε μονοσθενή συστήματα όπου τα επίπεδα ακριβείας των θεωρητικών υπολογισμών αναμένονται να είναι μικρότερα από 1% (Fr, Ra+). Ωστόσο, η επίτευξη των προαναφερθέντων πειραμάτων είναι δύσκολη, καθώς βρίσκονται σε εξέλιξη ήδη για 15 χρόνια, και στην περίπτωση των ραδιενεργών Fr και Ra+ η χρήσιμοποίηση επιταχυντών σωματιδίων κρίνεται αναγκαία.
Η ερευνητική ομάδα του Καθ. Ρακιτζή αναπτύσσει μια καινοτόμο επιτραπέζια πειραματική διάταξη για την μέτρηση των φαινομένων παραβίασης της ομοτιμίας σε μετασταθή άτομα Ξένου (Xe) και Υδραργύρου (Hg). Η πειραματική διάταξη αυτή αποτελείται από μια οπτική κοιλότητα τεσσάρων κατόπτρων υψηλής ανακλαστικότητας σε χιαστί διάταξη και μια λάμπα εκκένωσης Ξένου ή Υδραργύρου, και αποφεύγει την χρήση συστημάτων κενού και κινούμενων μερών. Το Ξένο και ο Υδράργυρος έχουν 15, εμπορικώς διαθέσιμα, σταθερά ισότοπα, ενώ 4 εξ'αυτών έχουν μη-μηδενικό πυρηνικό σπίν. Η ομάδα παρουσίαζει καινοτόμες και άμεσες πειραματικές διαδικασίες αντιστροφής σήματος, που σχετίζονται με την τεχνική της οπτικής περιστροφής. Στόχος είναι να διερευνηθεί κατα πόσον υπάρχει δυνατότητα πραγματοποίησης τέτοιων σχετικά απλών και οικονομικά προσιτών πειραμάτων σε σύντομο χρονικό διάστημα, και αν ναι, να επιτρέψει την υιοθέτηση τους από άλλες ερευνητικές ομάδες.
Επιστημονικό άρθρο: "Cavity-Enhanced Parity-Nonconserving Optical Rotation in Metastable Xe and Hg", by L. Bougas, G. E. Katsoprinakis, W. von Klitzing, J. Sapirstein, and T. P. Rakitzis, Phys. Rev. Lett. 108, 210801 (2012).
[Άνω] Προτεινόμενη πειραματική διάταξη, αποτελούμενη από μια οπτική κοιλότητα υψηλής λεπτότητας σε χιαστί διάταξη, όπου αντίθετης κατεύθυνσης οπτικές δέσμες διέρχονται διαμέσω μιας λάμπας εκκένωσης Ξένου ή Υδραργύρου, ακολουθούμενη από πολωσίμετρα ικανά να μετρήσουν την οπτικά ενισχυμένη, λόγω της οπτικής κοιλότητας, οπτική περιστροφή.
[Κάτω] Θεωρητική πρόβλεψη του αναμενόμενου πειραματικού σήματος της ενισχυμένης, λόγω της οπτικής κοιλότητας, οπτικής περιστροφής, προβάλλοντας την χαρακτηριστική αντισυμμετρική φύση της φασματικής γραμμής, εξ'αιτίας του φαινομένου της παραβίασης της ομοτιμίας. Το επίπεδο του σήματος είναι ευθύς ανάλογο του ασθενούς φορτίου Qw.
