In breve

  • Il “momento di dipolo elettrico” di neutroni è più piccolo di quanto era previsto.
  • Sono stati stabiliti nuovi standard internazionali per i dettagli e la sensibilità.
  • Gli scienziati fanno un passo avanti verso la comprensione del mistero della materia nell’Universo.
Chris Abel e Nick Ayres di fronte all’esperimento di neutroni

Misurazione mai raggiunta prima

Gli scienziati dell’Università del Sussex hanno realizzato la misura più precisa che ami di una proprietà del neutrone (una particella fondamentale nell’universo). La loro ricerca fa parte di un’indagine sul perché nell’universo rimane della materia, cioè perché tutta l’antimateria creata nel Big Bang non ha semplicemente risolto la questione.

Il team, che comprendeva il Science and Technology Facilities Council’s (STFC) nel Regno Unito, il Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera e un certo numero di altre istituzioni, stava esaminando se il neutrone agisse o meno come un “bussola elettrica“. Si ritiene che i neutroni abbiano una forma leggermente asimmetrica, leggermente positiva da un lato e leggermente negativa dall’altro – un po ‘come l’equivalente elettrico di un magnete a barra. Questo è il cosiddetto “momento del dipolo elettrico” (EDM) ed è ciò che il team stava cercando.

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

Asimmetria strutturale

Il team di fisici ha scoperto che il neutrone ha un EDM significativamente più piccolo di quanto previsto da varie teorie sul perché nell’universo vi sia materia; ciò rende meno probabile la corretteza di queste teorie che, quindi, devono essere modificate o devono essere trovate nuove teorie. In effetti è stato detto che nel corso degli anni queste misurazioni dell’EDM, considerate come un set, hanno probabilmente smentito più teorie di qualsiasi altro esperimento nella storia della fisica. I risultati sono riportati venerdì 28 febbraio 2020 sulla rivista Physical Review Letters

Il professor Philip Harris, capo della School of Mathematical and Physical Sciences e leader del gruppo EDM dell’Università del Sussex, ha dichiarato: “Dopo oltre due decenni di lavoro dei ricercatori dell’Università del Sussex e non solo, un risultato finale è emerso da un esperimento progettato per affrontare uno dei problemi più profondi della cosmologia negli ultimi cinquant’anni: vale a dire la questione del perché L’universo contiene molta più materia dell’antimateria e il motivo per cui ora contiene qualsiasi materia. Perché l’antimateria non ha cancellato tutta la faccenda? Perché è rimasta qualche cosa?

La risposta riguarda 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 le teorie sul perché rimane la materia, perché le teorie che governano le due cose sono collegate.

Abbiamo stabilito un nuovo standard internazionale per la sensibilità di questo esperimento. Ciò 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 stato in grado di misurarlo in modo così dettagliato che se l’asimmetria potesse essere ridimensionata fino alle dimensioni di un pallone da calcio, un pallone ridimensionato della stessa quantità riempirebbe l’Universo visibile“. 

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

Il dott. Maurits van der Grinten, del neutron EDM group del Rutherford Appleton Laboratory (RAL), ha dichiarato: “L’esperimento combina varie tecnologie all’avanguardia che devono essere eseguite simultaneamente. Siamo lieti che le attrezzature, la tecnologia e le competenze sviluppate dagli scienziati della RAL abbiano contribuito al lavoro per spingere il limite su questo importante parametro“.

Il dott. Clark Griffith, docente di fisica presso la Facoltà di scienze matematiche e fisiche dell’Università del Sussex, ha dichiarato: “Questo esperimento riunisce tecniche della fisica nucleare atomica e a bassa energia, tra cui la magnetometria ottica basata su laser e la manipolazione dello spin quantistico. Usando questi strumenti multidisciplinari per misurare le proprietà del neutrone in modo estremamente preciso, siamo in grado di sondare le domande relative alla fisica delle particelle ad alta energia e alla natura fondamentale delle simmetrie sottostanti l’universo“.

50.000 misurazioni

Ogni momento di dipolo elettrico che può avere un neutrone è minuscolo, ed è quindi estremamente difficile da misurare. Le 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 le ultime misurazioni. Ad esempio, ogni camion che passava lungo la strada accanto 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.

Inoltre, il numero di neutroni osservati doveva essere abbastanza grande da fornire la possibilità di misurare il momento del dipolo elettrico. Le misurazioni hanno avuto una durata di due anni. Sono stati misurati i cosiddetti neutroni ultrafreddi, cioè neutroni con una velocità relativamente lenta. Ogni 300 secondi, un gruppo di oltre 10.000 neutroni veniva indirizzato all’esperimento ed esaminato in dettaglio. I ricercatori hanno misurato un totale di 50.000 di questi gruppi.

È stato fissato un nuovo standard internazionale

Gli ultimi risultati dei ricercatori hanno supportato e migliorato quelli dei loro predecessori: è stato fissato un nuovo standard internazionale. Le dimensioni dell’EDM sono ancora troppo piccole per essere misurate con gli strumenti finora utilizzati, quindi alcune teorie che hanno tentato di spiegare l’eccesso di materia sono diventate meno probabili. Il mistero quindi rimane, per il momento.

La misurazione successiva, più precisa, è già in fase di costruzione presso il PSI. La collaborazione con PSI prevede di iniziare la prossima serie di misurazioni entro il 2021.

Ricerca per una “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 PSI’s ultracold neutron source. I ricercatori hanno raccolto lì i dati di misurazione per un periodo di due anni, li hanno valutati con molta attenzione in due team separati e sono stati quindi in grado di ottenere un risultato più accurato che mai.

Il progetto di ricerca fa parte della ricerca di “nuova fisica” che andrebbe oltre il cosiddetto modello standard della fisica, che definisce le proprietà di tutte le particelle conosciute. Questo è anche uno degli obiettivi principali degli esperimenti in strutture più grandi come il Large Hadron Collider (LHC) al CERN.

Le tecniche sviluppate originariamente per la prima misurazione dell’EDM negli anni ’50 hanno portato a sviluppi che cambiano il mondo come orologi atomici e scanner per risonanza magnetica, e fino ad oggi conserva il suo enorme e costante impatto nel campo della fisica delle particelle

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