I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno misurato una proprietà del neutrone in modo più preciso che mai. Nel processo hanno scoperto che la particella elementare ha un momento di dipolo elettrico significativamente più piccolo di quanto precedentemente ipotizzato. Con quello, è anche diventato meno probabile che questo momento di dipolo possa aiutare a spiegare l'origine di tutta la materia nell'universo. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato utilizzando la sorgente di neutroni ultrafreddi al PSI. Riportano i loro risultati oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Il Big Bang ha creato sia la materia nell'universo che l'antimateria, almeno secondo la teoria consolidata. Poiché i due si annientano a vicenda, però, doveva esserci un eccesso di materia, che è rimasto fino ad oggi. La causa di questo eccesso di materia è uno dei grandi misteri della fisica e dell'astronomia. I ricercatori sperano di trovare un indizio sul fenomeno sottostante con l'aiuto dei neutroni, i mattoni elementari degli atomi elettricamente scarichi. L'ipotesi:se il neutrone avesse un cosiddetto momento di dipolo elettrico (abbreviato nEDM) con un valore misurabile diverso da zero, questo potrebbe essere dovuto allo stesso principio fisico che spiegherebbe anche l'eccesso di materia dopo il Big Bang.

50, 000 misurazioni

La ricerca del nEDM può essere espressa nel linguaggio quotidiano come la domanda se il neutrone sia o meno una bussola elettrica. È stato a lungo chiaro che il neutrone è una bussola magnetica e reagisce a un campo magnetico, o, in gergo tecnico:ha un momento di dipolo magnetico. Se inoltre il neutrone avesse anche un momento di dipolo elettrico, il suo valore sarebbe molto inferiore, e quindi molto più difficile da misurare. Precedenti misurazioni di altri ricercatori lo hanno confermato. Perciò, i ricercatori del PSI hanno dovuto fare di tutto per mantenere il campo magnetico locale molto costante durante la loro ultima misurazione. Ogni camion che passava sulla strada vicino al PSI disturbava il campo magnetico su una scala che era rilevante per l'esperimento, quindi questo effetto doveva essere calcolato e rimosso dai dati sperimentali.

Anche, il numero di neutroni osservati doveva essere sufficientemente grande da fornire la possibilità di misurare il nEDM. Le misurazioni al PSI si sono quindi svolte su un periodo di due anni. I cosiddetti neutroni ultrafreddi, questo è, neutroni con una velocità relativamente bassa, sono stati misurati. Ogni 300 secondi, un pacchetto di otto secondi con oltre 10, 000 neutroni sono stati indirizzati all'esperimento ed esaminati. I ricercatori hanno misurato un totale di 50, 000 tali fasci.

"Anche per il PSI con le sue grandi strutture di ricerca, questo era uno studio abbastanza ampio, " dice Philipp Schmidt-Wellenburg, un ricercatore del progetto nEDM da parte del PSI. "Ma questo è esattamente ciò che è necessario in questi giorni se stiamo cercando la fisica oltre il modello standard".

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Il nuovo risultato è stato determinato da un gruppo di ricercatori di 18 istituti e università in Europa e negli Stati Uniti, tra questi il ​​Politecnico di Zurigo, l'Università di Berna e l'Università di Friburgo. I dati erano stati raccolti presso la sorgente di neutroni ultrafreddi del PSI. I ricercatori avevano raccolto dati di misurazione lì per due anni, valutato molto attentamente in due squadre, e attraverso ciò ottenne un risultato più accurato che mai.

Il progetto di ricerca nEDM si inserisce nella ricerca di una "nuova fisica" che vada oltre il cosiddetto Modello Standard. Questo è anche ricercato in strutture ancora più grandi come il Large Hadron Collider LHC al CERN. "La ricerca al CERN è ampia e generalmente cerca nuove particelle e le loro proprietà, " spiega Schmidt-Wellenburg. "Noi invece stiamo andando in profondità, perché stiamo guardando solo le proprietà di una particella, il neutrone. In cambio, però, raggiungiamo una precisione in questo dettaglio che l'LHC potrebbe raggiungere solo in 100 anni".

"In definitiva, " dice Georg Bison, che come Schmidt-Wellenburg è ricercatore nel Laboratorio di Fisica delle Particelle al PSI, "varie misurazioni sulla scala cosmologica mostrano deviazioni dal Modello Standard. Al contrario, nessuno è ancora riuscito a riprodurre questi risultati in laboratorio. Questa è una delle grandi domande della fisica moderna, ed è questo che rende il nostro lavoro così entusiasmante".

Sono previste misurazioni ancora più precise

Con il loro ultimo esperimento, i ricercatori hanno confermato i precedenti risultati di laboratorio. "Anche il nostro risultato attuale ha prodotto un valore per nEDM che è troppo piccolo per essere misurato con gli strumenti che sono stati utilizzati fino ad ora:il valore è troppo vicino allo zero, " dice Schmidt-Wellenburg. "Quindi è diventato meno probabile che il neutrone possa aiutare a spiegare l'eccesso di materia. Ma non si può ancora escludere del tutto. E in ogni caso, la scienza è interessata al valore esatto del nEDM per scoprire se può essere utilizzato per scoprire nuova fisica".

Perciò, il prossimo, si sta già pianificando una misurazione più precisa. "Quando abbiamo avviato l'attuale sorgente di neutroni ultrafreddi qui al PSI nel 2010, sapevamo già che il resto dell'esperimento non gli avrebbe reso giustizia. Quindi stiamo attualmente costruendo un esperimento adeguatamente più ampio, " spiega Bison. I ricercatori del PSI prevedono di iniziare la prossima serie di misurazioni del nEDM entro il 2021 e, a sua volta, per superare quello attuale in termini di precisione.

"Abbiamo acquisito una grande esperienza negli ultimi dieci anni e siamo stati in grado di utilizzarla per ottimizzare continuamente il nostro esperimento, sia per quanto riguarda la nostra sorgente di neutroni che in generale per la migliore valutazione possibile di dati così complessi nella fisica delle particelle, " afferma Schmidt-Wellenburg. "L'attuale pubblicazione ha fissato un nuovo standard internazionale".