Gli scienziati dell'Università del Sussex hanno misurato una proprietà del neutrone, una particella fondamentale nell'universo, in modo più preciso che mai. La loro ricerca fa parte di un'indagine sul perché ci sia materia rimasta nell'universo, questo è, perché tutta l'antimateria creata nel Big Bang non ha semplicemente cancellato la materia.

Il team, che comprendeva il Rutherford Appleton Laboratory del Science and Technology Facilities Council (STFC) nel Regno Unito, l'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera, e un certo numero di altre istituzioni - stava esaminando se il neutrone si comportasse o meno come una "bussola elettrica". Si ritiene che i neutroni abbiano una forma leggermente asimmetrica, essendo leggermente positivo da un lato e leggermente negativo dall'altro, un po' come l'equivalente elettrico di un magnete a barra. Questo è il cosiddetto "momento di dipolo elettrico" (EDM), ed è ciò che la squadra stava cercando.

Questo è un pezzo importante del puzzle nel mistero del perché la materia rimane nell'Universo, perché le teorie scientifiche sul perché ci sia materia rimasta prevedono anche che i neutroni abbiano la proprietà della "bussola elettrica", in misura maggiore o minore. Misurarlo quindi aiuta gli scienziati ad avvicinarsi alla verità sul perché la materia rimane.

Il team di fisici ha scoperto che il neutrone ha un EDM significativamente più piccolo di quanto previsto da varie teorie sul motivo per cui la materia rimane nell'universo; questo rende meno probabile che queste teorie siano corrette, quindi devono essere modificati, o nuove teorie trovate. Infatti è stato detto in letteratura che nel corso degli anni, queste misurazioni EDM, considerato come un insieme, hanno probabilmente smentito più teorie di qualsiasi altro esperimento nella storia della fisica. I risultati sono riportati oggi, venerdì 28 febbraio 2020, nel diario Lettere di revisione fisica .

Professor Philip Harris, Capo della Scuola di Scienze Matematiche e Fisiche e leader del gruppo EDM presso l'Università del Sussex, disse:

"Dopo oltre due decenni di lavoro dei ricercatori dell'Università del Sussex e altrove, un risultato finale è emerso da un esperimento progettato per affrontare uno dei problemi più profondi della cosmologia degli ultimi cinquant'anni:vale a dire, la domanda sul perché l'Universo contenga così tanta più materia che antimateria, e, infatti, perché ora contiene qualsiasi materia. Perché l'antimateria non ha cancellato tutta la materia? Perché è rimasto qualcosa?

"La risposta si riferisce a un'asimmetria strutturale che dovrebbe apparire in particelle fondamentali come i neutroni. Questo è quello che stavamo cercando. Abbiamo scoperto che il "momento di dipolo elettrico" è più piccolo di quanto si credesse in precedenza. Questo ci aiuta a escludere teorie sul perché è rimasta materia, perché le teorie che governano le due cose sono collegate.

"Abbiamo stabilito un nuovo standard internazionale per la sensibilità di questo esperimento. Quello che stiamo cercando nel neutrone, l'asimmetria che mostra che è positivo da un lato e negativo dall'altro, è incredibilmente piccolo. Il nostro esperimento è riuscito misurare questo in modo così dettagliato che se l'asimmetria potesse essere ridimensionata fino alle dimensioni di un pallone da calcio, allora un pallone da calcio ingrandito della stessa quantità riempirebbe l'Universo visibile."

L'esperimento è una versione aggiornata dell'apparato originariamente progettato dai ricercatori dell'Università del Sussex e del Rutherford Appleton Laboratory (RAL), e che ha detenuto ininterrottamente il record mondiale di sensibilità dal 1999 ad oggi.

Dott. Maurits van der Grinten, dal gruppo EDM di neutroni del Rutherford Appleton Laboratory (RAL), ha dichiarato:"L'esperimento combina varie tecnologie all'avanguardia che devono funzionare tutte contemporaneamente. Siamo lieti che l'attrezzatura, la tecnologia e le competenze sviluppate dagli scienziati di RAL hanno contribuito al lavoro per spingere il limite su questo importante parametro"

Dottor Clark Griffith, Docente di Fisica presso la School of Mathematical and Physical Sciences dell'Università del Sussex, disse:

"Questo esperimento riunisce tecniche della fisica atomica e nucleare a bassa energia, tra cui magnetometria ottica basata su laser e manipolazione dello spin quantistico. Utilizzando questi strumenti multidisciplinari per misurare con estrema precisione le proprietà del neutrone, siamo in grado di sondare questioni relative alla fisica delle particelle ad alta energia e alla natura fondamentale delle simmetrie alla base dell'universo. "

50, 000 misurazioni

Qualsiasi momento di dipolo elettrico che un neutrone può avere è minuscolo, e quindi è estremamente difficile da misurare. Precedenti misurazioni di altri ricercatori lo hanno confermato. In particolare, il team ha dovuto fare di tutto per mantenere il campo magnetico locale molto costante durante l'ultima misurazione. Per esempio, ogni camion che passava sulla strada vicino all'istituto disturbava il campo magnetico su una scala che sarebbe stata significativa per l'esperimento, quindi questo effetto doveva essere compensato durante la misurazione.

Anche, il numero di neutroni osservati doveva essere sufficientemente grande da fornire la possibilità di misurare il momento di dipolo elettrico. Le misurazioni sono state eseguite per un periodo di due anni. I cosiddetti neutroni ultrafreddi, questo è, neutroni con una velocità relativamente bassa, sono stati misurati. Ogni 300 secondi, un gruppo di più di 10, 000 neutroni sono stati indirizzati all'esperimento ed esaminati in dettaglio. I ricercatori hanno misurato un totale di 50, 000 di questi grappoli.

Viene stabilito un nuovo standard internazionale

Gli ultimi risultati dei ricercatori hanno supportato e migliorato quelli dei loro predecessori:è stato fissato un nuovo standard internazionale. La dimensione dell'EDM è ancora troppo piccola per essere misurata con gli strumenti che sono stati utilizzati fino ad ora, così alcune teorie che hanno tentato di spiegare l'eccesso di materia sono diventate meno probabili. Resta dunque il mistero, per ora.

Il prossimo, più preciso, la misurazione è già in costruzione al PSI. La collaborazione PSI prevede di iniziare la prossima serie di misurazioni entro il 2021.

Cerca "nuova fisica"

Il nuovo risultato è stato determinato da un gruppo di ricercatori di 18 istituti e università in Europa e negli Stati Uniti sulla base dei dati raccolti presso la sorgente di neutroni ultrafreddi del PSI. I ricercatori hanno raccolto dati di misurazione lì per un periodo di due anni, valutato molto attentamente in due squadre separate, e sono stati quindi in grado di ottenere un risultato più accurato che mai.

Il progetto di ricerca si inserisce nella ricerca di una "nuova fisica" che vada oltre il cosiddetto Modello Standard della Fisica, che definisce le proprietà di tutte le particelle conosciute. Questo è anche uno dei principali obiettivi degli esperimenti in strutture più grandi come il Large Hadron Collider (LHC) al CERN.

Le tecniche originariamente sviluppate per la prima misurazione EDM negli anni '50 hanno portato a sviluppi che hanno cambiato il mondo come orologi atomici e scanner MRI, e fino ad oggi conserva il suo enorme e continuo impatto nel campo della fisica delle particelle.