A részecskefizika legfontosabb modelljének, a standard modellnek következtetései szerint az univerzum kezdetén egyensúlyban volt az anyag és az antianyag, azaz egyenlő arányban keletkezett minden részecske és ellentétes töltésű, de minden egyéb tekintetben megegyező párja. Az antianyag létezését először Paul Dirac brit fizikus jósolta meg, aki ezzel az elméleti koncepcióval magyarázta a számításaival kapcsolatos homályos részleteket. A Dirac-egyenlet 1928-ban született és a kvantumelmélet és a relativitáselmélet kibékítésére törekedett. Az antianyag elképzelésével érdekes távlatokat nyitott meg az univerzum működésével kapcsolatban.

"Ha elfogadjuk a teljes szimmetriát a pozitív és negatív elektromos töltés között, amíg ez a Természet alapvető törvényeit érinti, balesetnek kell tekintenünk, hogy a Földet (és feltehetően az egész Naprendszert) a negatív elektronok és pozitív protonok túlsúlya jellemzi.

Lehetséges, hogy az egyes csillagok esetében ennek ellenkezője érvényes, ezek a csillagok főként pozitronokból és negatív protonokból állnak" - mondta Dirac 1933-as Nobel-beszédében.

A teória, miszerint kell lennie antianyag-csillagoknak, azóta is felbukkan időnként a fizikusok tanulmányaiban, azonban a magyarázat arra vonatkozólag, hogy hogyan létezhet az általunk ismert, anyagból álló univerzum, ha a keletkezésekor a részecskék és antianyag párjaik megsemmisítették egymást, vagyis milyen módon került túlsúlyba az anyag, továbbra sem teljesen világos a tudósok előtt. Az anyag-antianyag aszimmetria kérdését részecskeütköztetőkben és más vizsgálatok során tanulmányozzák, amelyek eredményei alapján jobb betekintést kaphatnak a tudósok az anyag és antianyag kis mértékben eltérő viselkedésébe.

Az antianyag kutatások egyik ígéretesnek tűnő iránya az elektronok formájának vizsgálatán alapul. Az elektron bizonyos szempontból pontszerű részecske, emiatt nem rendelkezik kiterjedéssel és valódi formával, azonban egy másfajta definíció szerint, ami a kvantumtérelmélet körébe tartozik, létezik "alakja", ami a szabad elektron elektromos mezőre gyakorolt hatásának következménye. A gömbölyű alakot az elektront körülvevő virtuális részecskék hozzák létre (okozzák), azaz a gömbforma ezeknek a részecskéknek a felhője, nem maga az elektron. A virtuális részecskék gyorsan tovatűnő, direkt módon nem észlelhető részecskék, amelyek a környezetükre gyakorolt hatásuk alapján mutatkoznak meg a fizikusok előtt. Fizikai értelemben nem olyanok, mint a valódi részecskék, de egyfajta számítási eszközöként segítséget nyújtanak a tudósoknak a kalkulációk során.

A virtuális részecskék az elektromágneses mező zavarai és az elektronok formájának tekintetében fontos szerepet játszanak, mivel ezek adják a gömb alakú elektromos töltési "udvart". Amennyiben az elektronok a mérések alapján nem lennének teljes mértékben gömbölyűek, az azt jelentené, hogy olyan virtuális részecskék bukkantak fel körülöttük, amelyek hatása miatt az egyensúly, a szimmetria felbomlana és tojás vagy körte alakot hoznának létre, egyik oldalon kicsivel több pozitív, a másik több negatív töltéssel. Ugyanezek a részecskék más területen is éreztetnék hatásukat és magyarázatot adnának az anyag-antianyag aszimmetriára a fizikusok szerint. Az eEDM jelenségét, vagyis az elektron elektromos dipólmomentumát az eddig ismeretlen részecskékkel azonosított vákuumfluktuációkkal való interakció okozhatja. A standard modell megjósolta az elektron dipólusmomentumának létezését, de ezt olyan kis mértékűnek definiálja, ami meghaladja a jelenlegi vizsgálati eszközök képességeit. Ha mégis sikerülne észlelhető mértékű eEDM-et kimutatni, az új részecskék, a standard modellen túlmutató fizikai jelenségek meglétére utalna.

Az elektron formáját, tehát az eEDM-et emiatt régóta igyekeznek egyre precízebb méréseknek alávetni, de a tesztek eddig azt mutatták, hogy az elektron egyértelműen "gömbölyű". A legutóbbi vizsgálat, aminek során minden eddiginél pontosabb megfigyeléseket végzett egy kutatócsoport, pedig szintén alátámasztotta az eddigi eredményeket. A Colorado Egyetem JILA intézetének fizikusai hafnium-fluorid molekulák segítségével mérték az eEDM jelenlétét: ehhez a molekuláris ionokban csapdába ejtett elektronokat vizsgálták, miközben elektromos mezőt hoztak létre körülöttük. Amennyiben az elektromos mező olyan hatást gyakorolt volna rájuk, ami az elektromos dipólmomentum meglétére utal, azt a molekulák energiaszintjének változásában is tetten tudták volna érni a kutatók, azonban nem találtak erre utaló nyomokat.

A rendkívüli precizitást elérő vizsgálatok ugyan nem hoztak új, az antianyag rejtélyeit felfedő eredményt, de szűkebb határokat szabtak a további kísérletek számára: kiderült például, hogy azok a virtuális részecskék, amelyek potenciálisan elég nagy tömegűek ahhoz, hogy érzékelhető hatást gyakoroljanak az elektronok "formájára", meghaladják az Nagy Hadronütköztetőben zajló kísérletek során létrehozott részecskék energiaszintjét. A kutatók következtetése szerint ezért az LHC-ban vagy más ütköztetőkben kivitelezett vizsgálatokkal nem lehet az eEDM jelenségével kapcsolatos, hasznos eredményeket elérni és ez még évtizedekig így marad, talán még a következő generációs ütköztetők esetén is.

(Fotó: Nicolle R. Fuller/NSF, The Cornell Group, Steve Burrows/JILA, geralt/Pixabay, Pxfuel)