დიპოლური მომენტის ძიებაში

სტანდარტული მოდელი (SM), რომელიც ითვლება თანამედროვეობის ყველაზე გამომწვევ და წარმატებულ თეორიად ფუნდამენტურ კვლევებში, ახლო წარსულში საბოლოოდ განმტკიცდა ჰიგსის ნაწილაკის აღმოჩენით. ეს კი იმას ნიშნავს, რომ თეორია ნამდვილად ჭეშმარიტია. ჰიგსის ნაწილაკის აღმოჩენამ არათუ მოადუნა მეცნიერთა სწრაფვა სამყაროს კანონზომიერებების უკეთ შეცნობისაკენ, არამედ პირიქით – გააღვივა ინტერესი ისეთი კვლევების მიმართ, რომელთა სფეროც  სტანდარტული მოდელის ფარგლებს გარეთ გადის. ამის ერთ-ერთი მიზეზი, ალბათ, ისიც იყო, რომ სამყაროში ჯერ კიდევ არსებობს რიგი „გამოცანებისა“, რომლებზეც საბოლოო პასუხის გაცემა ამ თეორიის ფარგლებშიც კი ვერ ხერხდება. ერთ-ერთ ასეთ დილემას  ჩვენი სამყაროს არსებობა წარმოადგენს. ცნობილია, რომ ჩვენი სამყარო დაახლოებით 14 მილიარდი წლის წინ დაიბადა დიდი აფეთქების შედეგად. ამ მომენტში გამოთავისუფლებულმა ენერგიამ თანაბარი რაოდენობით წარმოშვა ნაწილაკები და მათი შესაბამისი ანტინაწილაკები. სამყაროს განვითარების შემდგომ ეტაპებზე ხდებოდა ამ ნაწილაკ-ანტინაწილაკთა წყვილების ანიჰილაცია (მასის ენერგიად გარდაქმნა), რომლის შედეგად, რატომღაც, ყოველი ათი მილიარდი წყვილიდან გადარჩა ერთი ნაწილაკი. მატერია, რომელიც დღეს ავსებს ჩვენს სამყაროს, სწორედ ამ გადარჩენილი ნაწილაკებისგან შედგება. თუ რამ გამოიწვია ასეთი ასიმეტრია მატერიასა და ანტიმატერიას შორის შორეულ წარსულში, დღეს უცნობია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სწორედ ეს არის ჩვენი არსებობის მიზეზი.

დღეს მსოფლიოში ტარდება სხვადასხვა  კვლევები და ექსპერიმენტები ისეთი მოვლენების აღმოსაჩენად, რომლებიც სტანდარტული მოდელის ფარგლებში ვერ აიხსნება. მათ შორის ერთ-ერთი ამბიციური მიმართულებაა ელემენტარული ნაწილაკების, კერძოდ, დამუხტული ადრონების (მაგ. პროტონი, ნეოტრონი), პერმანენტული ელექტრული დიპოლური მომენტის ძიება. იმ შემთხვევაში, თუ ელექტრული მომენტის არსებობა დადასტურდება, ეს იქნება მინიშნება იმ ერთ-ერთ მოვლენაზე, რომელიც შეიძლება იყოს სამყაროში მატერიის და ანტიმატერიის ასიმეტრიის მიზეზი. გარდა ამისა, ეს აუცილებლად მოითხოვს სტანდარტული მოდელის გაფართოებას ე.წ. “ახალი ფიზიკის” მიმართულებით.

ელექტრული დიპოლური მომენტი (ედმ) აღიძვრება სისტემაში, რომელშიც დადებითი და უარყოფითი მუხტების განაწილების ცენტრები ერთმანეთს არ ემთხვევა. სისტემას, იმ შემთხვევაშიც კი, თუ იგი ელექტრულად ნეიტრალურია (მაგ. ნეიტრონი), შეიძლება გააჩნდეს ედმ. თუმცა, ლაპარაკია იმდენად მცირე სიდიდეზე, რომლის აღმოჩენაც დღევანდელი ტექნოლოგიური შესაძლებლობის ზღვარს მიღმაა. წარმოდგენისათვის, ნუკლონი (მაგ. პროტონი, ნეიტრონი) დედამიწის ზომისა რომ ყოფილიყო, დადებითი და უარყოფითი მუხტების ცენტრებს შორის დაცილება მაქსიმუმ ადამიანის თმის ღერის სისქის თუ იქნებოდა. მიუხედავად გაზომვის პრინციპის სიმარტივისა, რაც მდგომარეობს ნაწილაკის მაგნიტური მომენტის ცვლილებაში ელექტრულ ველთან ურთიერთქმედებისას, ეფექტის მოსალოდნელი სიმცირე თითქმის გადაულახავ წინააღმდეგობებს წარმოშობს. მაგალითად, კრიტიკულად აუცილებელია განვასხვაოთ საძიებელი სიგნალი სხვა სიგნალებისაგან, რომლებმაც მისი იმიტაცია შეიძლება მოახდინონ.

დამუხტული ნაწილაკების ელექტრული მომენტის ძიების ახალი მეთოდი, რომელიც ვითარდება იულიხის კვლევით ცენტრში (გერმანია) JEDI კოლაბორაციის მიერ, ითვალისწინებს დამაგროვებელ რგოლში (ამაჩქარებლის ტიპი) ნაწილაკების პოლარიზაციის შემობრუნებას ძლიერი ელექტრული ველის ზემოქმედებით. ნაწილაკების პოლარიზაციის გასაზომად საჭიროა სპეციალური პოლარიმეტრის შექმნა, რომელიც მოიცავს სამიზნეს, რომელზეც მოხდება ნაკადის ნაწილაკების გაბნევა და დეტექტორულ ნაწილს – გაბნეული ნაწილაკების დასაფიქსირებლად და პოლარიზაციის სიგნალის გასაზომად. ქართული ჯგუფის მიერ, რომლის წევრების ნაწილი თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტის მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის (მეფი), ნაწილი კი იულიხის კვლევითი ცენტრის ბირთვული კვლევების ინსტიტუტის (IKP, FZ-Juelich) თანამშრომლები არიან, კოლაბორაციისთვის შეთავაზებული იყო პოლარიმეტრის ისეთი კონცეფცია (იხ. ქვემოთ მოცემული ნახაზი), რომელიც საშუალებას გვაძლევს გაზომვის სიზუსტე გავაუმჯობესოთ რამდენიმე რიგით. ეს ზრდის ელექტრული დიპოლური მომენტის აღმოჩენის შესაძლებლობას.

ქართული ჯგუფის სამუშაოები მიმდინარეობს როგორც იულიხის ცენტრის, ასევე საქართველოს შოთა რუსთაველის ეროვნული სამეცნიერო ფონდის მხარდაჭერით. ფონდის ფინანსური მხარდაჭერით მიმდინარე პროექტის ფარგლებში განზრახულია პოლარიმეტრის დეტექტორის ძირითადი ნაწილის – კრისტალური კალორიმეტრის მოდულების ოპტიმიზაცია, რომელიც გამოიყენება ნაწილაკების ნაკადის განივი პოლარიზაციის გასაზომად. ეს სამუშაოები მოიცავს აპარატურულ და პროგრამულ ნაწილებს. აპარატურული ნაწილი გულისხმობს მოდულების აწყობას და ტესტირებას, ასევე მოდულების უზრუნველყოფის სისტემების შექმნას, როგორიცაა კვების წყაროები, დეტექტორებიდან სიგნალების წამკითხველი მოწყობილობები და სხვა ელექტრნული მოდულები. პროგრამული ნაწილი კი ითვალისწინებს კომპიუტერულ სიმულაციებს, მონაცემთა შეგროვების, გადაცემისა და შენახვის, ასევე მონაცემების რეალურ  დროში ანალიზის პროგრამული უზრუნველყოფის შექმნას საბოლოო რეზულტატების დასაფიქსირებლად. სამუშაოები მიმდინარეობს ეტაპობრივად. თითოეულ ეტაპზე ხდება პოლარიმეტრის ცალკეული შემადგენელი ნაწილების პროექტირება, აწყობა და ექსპერიმენტულ პირობებში ტესტირება. ნაწილი სამუშაოებისა ხორციელდება თსუ-ს SMART|EDM ლაბორატორიის მატერიალურ-ტექნიკური ბაზის გამოყენებით, ნაწილი კი, ექსპერიმენტული ტესტირების ჩათვლით, იულიხის კვლევით ცენტრში. პოლარიმეტრის ამ ეტაპზე არსებული კონსტრუქცია ერთ-ერთი ასეთი ტესტირებისას ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფოტოზე. მოსალოდნელი შედეგები ჯგუფს დაეხმარება პოლარიმეტრის პროექტირებაში, მისი პარამეტრების ოპტიმიზაციაში და საბოლოო ვერსიის შექმნაში. ძირითადი თვისებები, რომლებიც გამოარჩევს აღნიშნულ პოლარიმეტრს სხვა მსგავსი ხელსაწყოებისგან, არის მაღალი სტაბილურობის დონე, უკიდურესად მცირე გაზომვის ცდომილებები, მაღალი ეფექტურობა და მდგრადობა. ასეთი პოლარიმეტრი გახდება სპეციალიზებული დამაგროვებელი რგოლის  გადამწყვეტი შემადგენელი ნაწილი, რომელიც მომავალში გამოყენებული იქნება ელექტრული დიპოლური მომენტის აღმოსაჩენად.

ამ ეტაპზე JEDI კოლაბორაცია ედმ-ის გაზომვის მეთოდიკისა და ტექნოლოგიების დახვეწის ფაზაში იმყოფება. ტარდება სატესტო ექსპერიმენტები იულიხის კვლევით ცენტრში არსებულ COSY ამაჩქარებელზე. ამავე ამაჩქარებელზე მოხდება პროტონის/დეიტრონის ედმ-ის პირველი რეალური გაზომვაც. თუმცა, საბოლოო ექსპერიმენტისათვის იგეგმება სპეციალური ამაჩქარებლის აშენება, რომელზეც მოხდება ექსპერიმენტის მაქსიმალური მგრძნობიარობის მიღწევა. კოლაბორაცია აერთიანებს 100-ზე მეტ მეცნიერს მსოფლიოს სხვადასხვა უნივერსიტეტიდან, რომლებიც მუშაობენ ედმ-ის გაზომვის სხვადასხვა მეთოდების სრულყოფაზე მაქსიმალური გაზომვის სიზუსტის მისაღწევად, დამუხტული ნაწილაკების ნაკადის პარამეტრების გაუმჯობესებაზე, ამაჩქარებლის შემადგენელი კვანძების სტაბილურობის ამაღლებაზე, სისტემატური ცდომილების წყაროების პოვნასა და მათ აღმოფხვრაზე და სხვა. ქართული ჯგუფიც ამ კოლაბორაციის წევრია და მის პასუხისმგებლობის სფეროში შედის ისეთი პოლარიმეტრის პროექტირება და შექმნა, რომელსაც სარეკორდო პარამეტრები ექნება. ჯგუფს 20 წელზე მეტი თანამშრომლობის გამოცდილება აქვს იულიხის კვლევითი ცენტრის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტთან, რამაც განაპირობა მაღალი ნდობა და წარმატების მოლოდინი.