Perché l'universo osservabile non contiene praticamente antimateria? Le particelle di antimateria hanno la stessa massa ma carica elettrica opposta delle loro controparti di materia. In laboratorio si possono creare quantità molto piccole di antimateria. Però, quasi nessuna antimateria è osservata altrove nell'universo.

I fisici credono che ci fossero uguali quantità di materia e antimateria all'inizio della storia dell'universo, quindi come è svanita l'antimateria? Un ricercatore della Michigan State University fa parte di un team di ricercatori che esamina queste domande in un articolo recentemente pubblicato su Recensioni di Fisica Moderna .

Jaideep Taggart Singh, assistente professore di fisica MSU presso la Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB, studia atomi e molecole incorporati nei solidi mediante laser. Singh ha un appuntamento congiunto nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della MSU.

La risposta potrebbe essere radicata nella natura delle forze tra le particelle subatomiche che non sono le stesse quando il tempo è invertito. I fisici teorizzano che questa violazione dell'inversione temporale sia l'ingrediente chiave necessario per svelare il mistero cosmico dell'antimateria mancante. Tali forze di violazione dell'inversione del tempo determinano una proprietà nelle particelle chiamata momento di dipolo elettrico permanente (EDM). Da oltre 60 anni, i fisici hanno cercato EDM con crescente precisione, ma non li hanno mai osservati. Però, le recenti teorie della fisica delle particelle prevedono EDM misurabili. Ciò ha portato a una ricerca mondiale di EDM in sistemi come neutroni, molecole, e atomi.

Le ricerche EDM spesso coinvolgono orologi atomici che operano in un campo magnetico controllato (uniforme nello spazio e stabile nel tempo). In un campo elettrico, un orologio atomico ultra-stabile con un EDM diverso da zero funzionerà leggermente più velocemente o più lentamente. Il successo di tali esperimenti dipende da quanto bene i fisici possono controllare il campo magnetico circostante e altri fattori ambientali.

Gli EDM di atomi come il radio e il mercurio sono principalmente dovuti a forze originate all'interno del mezzo nucleare. I migliori limiti su questi tipi di forze sono attualmente derivati ​​dall'atomo di mercurio-199. Ricercatori dell'Università di Washington, Seattle, hanno scoperto che il loro orologio a mercurio-199 perde meno di un secondo ogni 400 secoli. Questo esperimento è impossibile da migliorare a meno che non si possa costruire un orologio meno sensibile ai fattori ambientali. Un esperimento concorrente che cerca di fare proprio questo è la ricerca dell'EDM del radio-225. È una collaborazione tra il Laboratorio Nazionale Argonne, Università statale del Michigan, e l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina.

Il raro isotopo radio-225 è un'alternativa interessante. Il suo nucleo "a forma di pera" (vedi figura) amplifica l'EDM osservabile di ordini di grandezza rispetto al nucleo quasi sferico di mercurio-199. Per eseguire un esperimento competitivo, un orologio al radio-225 deve essere stabile a meno di un secondo ogni due anni. Questo è difficile ma fattibile. La sensibilità di questo orologio al radio è attualmente limitata solo dal piccolo numero di atomi disponibili (circa 0.000005 milligrammi al giorno). Nel futuro, utilizzando un nucleo ancora più "a pera", come il raro isotopo protactinium-229, può migliorare la sensibilità di queste ricerche EDM di un altro fattore di mille. In altre parole, un esperimento competitivo con un orologio al protattio dovrebbe solo essere stabile a meno di un secondo ogni giorno.

"Noi, tutto ciò che vediamo, e il resto dell'universo osservabile esiste perché l'antimateria è svanita durante la nascita dell'universo, " ha detto Singh. " Alla scoperta di una nuova fonte di violazione dell'inversione temporale, magari utilizzando rari nuclei piriformi, comincerebbe a spiegare come ciò sia accaduto."

FRIB produrrà un'abbondanza di nuclei a forma di pera come il radio-225 e, per la prima volta, protattinio-229. Ciò consentirà la ricerca di un EDM con una sensibilità senza precedenti per rispondere al puzzle dell'antimateria.

MSU sta istituendo FRIB come nuova struttura per utenti scientifici per l'Ufficio di Fisica Nucleare presso l'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. In costruzione nel campus e gestito da MSU, FRIB consentirà agli scienziati di fare scoperte sulle proprietà di isotopi rari al fine di comprendere meglio la fisica dei nuclei, astrofisica nucleare, interazioni fondamentali, e applicazioni per la società, anche in medicina, sicurezza nazionale, e industria.