Krænkelse af tidsomvendelse kan forklare overflod af stof frem for antimateriale, siger fysiker

Hvorfor indeholder det observerbare univers stort set ingen antimateriale? Partikler af antimateriale har den samme masse, men modsatte elektriske ladning af deres stofmodparter. Der kan dannes meget små mængder antimateriale i laboratoriet. Imidlertid, næsten ingen antimateriale observeres andre steder i universet.

Fysikere mener, at der var lige store mængder stof og antimateriale i universets tidlige historie - så hvordan forsvandt antimateriale? En forsker ved Michigan State University er en del af et team af forskere, der undersøger disse spørgsmål i en artikel, der for nylig blev offentliggjort i Anmeldelser af moderne fysik .

Jaideep Taggart Singh, MSU adjunkt i fysik ved Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB, studerer atomer og molekyler indlejret i faste stoffer ved hjælp af lasere. Singh har en fælles ansættelse i MSUs afdeling for fysik og astronomi.

Svaret kan være forankret i arten af ​​kræfter mellem subatomære partikler, der ikke er ens, når tiden vendes. Fysikere teoretiserer, at denne overtrædelse af tidsomvendelse er den vigtigste ingrediens, der er nødvendig for at opklare det kosmiske mysterium om det manglende antimateriale. Sådanne tidsomvendte krænkende kræfter resulterer i en egenskab i partikler kaldet et permanent elektrisk dipolmoment (EDM). I over 60 år har fysikere har søgt efter EDM'er med stigende præcision, men de har aldrig observeret dem. Imidlertid, nylige teorier om partikelfysik forudsiger målbare EDM'er. Dette har ført til en verdensomspændende søgning efter EDM'er i systemer som neutroner, molekyler, og atomer.

EDM -søgninger involverer ofte atomure, der opererer i et kontrolleret magnetfelt (ensartet i rummet og stabilt i tiden). I et elektrisk felt, et ultrastabilt atomur med et nul-EDM vil køre lidt hurtigere eller langsommere. Succesen af ​​sådanne eksperimenter afhænger af, hvor godt fysikere kan kontrollere det omgivende magnetfelt og andre miljøfaktorer.

EDM'er af atomer som radium og kviksølv skyldes primært kræfter, der stammer fra atommediet. De bedste grænser for disse typer kræfter stammer i øjeblikket fra kviksølv-199-atomet. Forskere ved University of Washington, Seattle, har fundet ud af, at deres kviksølv-199-ur mister mindre end et sekund hvert 400 århundrede. Dette eksperiment er umuligt at forbedre, medmindre man kan bygge et ur, der er mindre følsomt for miljøfaktorer. Et konkurrerende eksperiment, der søger at gøre netop det, er søgningen efter EDM for radium-225. Det er et samarbejde mellem Argonne National Laboratory, Michigan State University, og University of Science and Technology of China.

Den sjældne isotop radium-225 er et attraktivt alternativ. Dens "pæreformede" kerne (se figur) forstærker den observerbare EDM ved størrelsesordener sammenlignet med den næsten sfæriske kerne af kviksølv-199. For at udføre et konkurrencedygtigt eksperiment, et radium-225-ur behøver kun at være stabilt til mindre end et sekund hvert andet år. Dette er svært, men gennemførligt. Følsomheden af ​​dette radiumur er i øjeblikket kun begrænset af det lille antal tilgængelige atomer (ca. 0,000005 milligram om dagen). I fremtiden, ved hjælp af endnu mere "pæreformede" kerner, såsom den sjældne isotop protactinium-229, kan forbedre følsomheden af ​​disse EDM -søgninger med en anden faktor på tusind. Med andre ord, et konkurrencedygtigt eksperiment med et protactinium -ur ville kun skulle være stabilt til mindre end et sekund hver dag.

"Vi, alt hvad vi ser, og resten af ​​det observerbare univers eksisterer, fordi antimaterialet forsvandt under universets fødsel, "Singh sagde." Opdagelse af en ny kilde til overtrædelse af tid, måske ved hjælp af sjældne pæreformede kerner, ville begynde at forklare, hvordan dette skete. "

FRIB vil producere en overflod af pæreformede kerner såsom radium-225 og, for første gang, protactinium-229. Dette vil muliggøre en søgning efter en EDM med en hidtil uset følsomhed for at besvare antimateriale -puslespillet.

MSU etablerer FRIB som en ny videnskabelig brugerfacilitet for Office of Nuclear Physics i U.S. Department of Energy Office of Science. Under opførelse på campus og drives af MSU, FRIB vil gøre det muligt for forskere at gøre opdagelser om egenskaberne af sjældne isotoper for bedre at forstå kernerne, nuklear astrofysik, grundlæggende interaktioner, og ansøgninger til samfundet, herunder i medicin, hjemlands sikkerhed, og industrien.