Una nuova strada per lo studio dell’antimateria

Un elemento che potrebbe contenere la chiave del mistero di lunga data sul perché ci sia molta più materia dell’antimateria nel nostro Universo è stato scoperto da un team di fisici dell’Università della Scozia occidentale (UWS).

Gli accademici della UWS e dell’Università di Strathclyde hanno scoperto, in una ricerca pubblicata sulla rivista Nature Physics, che alcuni isotopi del torio possono subire una grande deformazione presentando una accentuata forma a pera; con questo nuovo studio hanno rilevato più grande deformazione osservata sin ora.

I risultati sono in accordo con quelli dei precedenti calcoli teorici, permettendoci di stimare l’entità della deformazione ottupolare del 228Th. Questo studio indica che i nuclei di questi isotopi possono essere buoni candidati per la ricerca di un momento di dipolo elettrico atomico permanente“. 

Nuclei simili al torio-228 possono ora essere utilizzati per eseguire nuovi test per cercare di trovare la risposta al mistero che circonda la materia e l’antimateria.

Il dottor David O’Donnell della UWS, che ha guidato il progetto, ha dichiarato: “La nostra ricerca dimostra che, con buone idee, esperimenti di fisica nucleare – leader a livello mondiale – possono essere condotti in laboratori universitari. Questo lavoro migliora gli esperimenti che i fisici nucleari della UWS stanno conducendo in grandi strutture sperimentali in tutto il mondo. Essere in grado di eseguire esperimenti come questo fornisce una formazione eccellente per i nostri studenti“.

Materia e antimateria per il Modello Standard

La fisica spiega che l’Universo è composto da particelle fondamentali come gli elettroni che si trovano in ogni atomo. Il Modello standard, la migliore teoria che descrive le proprietà subatomiche di tutta la materia nell’Universo, prevede che ogni particella fondamentale può avere un’antiparticella simile. Collettivamente le antiparticelle, che sono quasi identiche alle loro controparti della materia, ma che portano carica opposta, sono conosciute come antimateria.

Secondo il Modello Standard, materia e antimateria avrebbero dovuto essere create in quantità uguali al tempo del Big Bang – eppure il nostro Universo è quasi interamente costituito da materia.

In teoria, un electric dipole moment (EDM) potrebbe consentire alla materia e all’antimateria di decadere a velocità diverse, fornendo una spiegazione per l’asimmetria nella materia e l’antimateria nel nostro universo.

I nuclei a forma di pera sono stati proposti come sistemi fisici ideali in cui cercare l’esistenza di un EDM in una particella fondamentale come un elettrone. La forma a pera significa che il nucleo genera un EDM avendo i protoni e i neutroni distribuiti in modo non uniforme in tutto il volume nucleare.

Decadimento in nanisecondi

Gli esperimenti sono iniziati con un campione di torio-232, che ha un’emivita di 14 miliardi di anni, il che significa che decade molto lentamente. La catena di decadimento di questo nucleo crea stati meccanici quantistici eccitati del nucleo torio-228. Tali stati decadono entro nanosecondi dalla loro creazione, emettendo raggi gamma.

Il dottor O’Donnell e il suo team hanno utilizzato rilevatori all’avanguardia altamente sensibili per rilevare questi decadimenti ultra-rari e veloci. Con un’attenta configurazione dei rivelatori e dell’elettronica di elaborazione del segnale, il team di ricerca è stato in grado di misurare con precisione la durata degli stati quantistici eccitati, con una precisione di due trilioni di secondo. 

Quanto più breve è la durata dello stato quantistico tanto più pronunciata è la forma a pera del nucleo del torio-228, offrendo ai ricercatori maggiori possibilità di trovare un elettroerosione.

Una ricerca collettiva

Il gruppo di ricerca era composto dal dott. O’Donnell, dal dott. Michael Bowry, dal dott. Bondili Sreenivasa Nara Singh, dal professor Marcus Scheck, dal professor John F Smith e dal dott. Pietro Spagnoletti della School of Computing, Engineering and Physical Sciences della UWS, e il professor Dino Jaroszynski dell’Università di Strathclyde e i dottorandi Majid Chishti e Giorgio Battaglia.

Il professor Dino Jaroszynski, direttore del Scottish Centre for Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA) dell’Università di Strathclyde, ha dichiarato: “Questo sforzo di collaborazione, che attinge alla competenza di un gruppo eterogeneo di scienziati, è un eccellente esempio di come lavorare insieme può portare a un’importante svolta. Mette in evidenza lo spirito collaborativo all’interno della comunità di fisica scozzese promossa dalla Scottish University Physics Alliance (SUPA) e pone le basi per i nostri esperimenti collaborativi presso SCAPA“.

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