Hvorfor er der overhovedet noget stof i universet? Ny undersøgelse kaster lys

Forskere ved University of Sussex har målt en egenskab ved neutronen - en fundamental partikel i universet - mere præcist end nogensinde før. Deres forskning er en del af en undersøgelse af, hvorfor der er stof tilbage i universet, det er, hvorfor alt det antistof, der blev skabt i Big Bang, ikke bare ophævede sagen.

Holdet – som omfattede Science and Technology Facilities Council (STFC) Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, og en række andre institutioner – undersøgte, hvorvidt neutronen virker som et "elektrisk kompas." Neutroner menes at være lidt asymmetriske i form, være lidt positiv i den ene ende og lidt negativ i den anden - lidt ligesom den elektriske ækvivalent af en stangmagnet. Dette er det såkaldte "elektriske dipolmoment" (EDM), og er det, holdet ledte efter.

Dette er en vigtig brik i puslespillet i mysteriet om, hvorfor stof forbliver i universet, fordi videnskabelige teorier om, hvorfor der er stof tilbage, også forudsiger, at neutroner har egenskaben "elektrisk kompas", i større eller mindre omfang. Ved at måle det hjælper det forskerne med at komme tættere på sandheden om, hvorfor stof bliver tilbage.

Holdet af fysikere fandt ud af, at neutronen har en væsentlig mindre EDM end forudsagt af forskellige teorier om, hvorfor stof forbliver i universet; dette gør disse teorier mindre tilbøjelige til at være korrekte, så de skal ændres, eller nye teorier fundet. Faktisk er det blevet sagt i litteraturen, at gennem årene, disse EDM-målinger, betragtes som et sæt, har formentlig modbevist flere teorier end noget andet eksperiment i fysikkens historie. Resultaterne er rapporteret i dag, Fredag ​​den 28. februar 2020, i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

Professor Philip Harris, Leder af School of Mathematical and Physical Sciences og leder af EDM-gruppen ved University of Sussex, sagde:

"Efter mere end to årtiers arbejde fra forskere ved University of Sussex og andre steder, et endeligt resultat er fremkommet fra et eksperiment designet til at løse et af de mest dybtgående problemer inden for kosmologi i de sidste halvtreds år:nemlig, spørgsmålet om, hvorfor universet indeholder så meget mere stof end antistof, og, Ja, hvorfor det nu overhovedet indeholder noget. Hvorfor ophævede antistoffet ikke hele sagen? Hvorfor er der noget tilbage?

"Svaret relaterer sig til en strukturel asymmetri, der burde forekomme i fundamentale partikler som neutroner. Det er det, vi har ledt efter. Vi har fundet ud af, at det "elektriske dipolmoment" er mindre end tidligere antaget. Dette hjælper os med at udelukke teorier om, hvorfor der er stof tilovers - fordi teorierne, der styrer de to ting, hænger sammen.

"Vi har sat en ny international standard for følsomheden af ​​dette eksperiment. Det, vi leder efter i neutronen - asymmetrien, der viser, at den er positiv i den ene ende og negativ i den anden - er utrolig lille. Vores eksperiment var i stand til at måle dette så detaljeret, at hvis asymmetrien kunne skaleres op til størrelsen af ​​en fodbold, så ville en fodbold opskaleret med det samme beløb fylde det synlige univers."

Eksperimentet er en opgraderet version af apparatur, der oprindeligt er designet af forskere ved University of Sussex og Rutherford Appleton Laboratory (RAL), og som har haft verdens følsomhedsrekord uafbrudt fra 1999 til nu.

Dr. Maurits van der Grinten, fra neutron EDM-gruppen ved Rutherford Appleton Laboratory (RAL), sagde:"Eksperimentet kombinerer forskellige avancerede teknologier, som alle skal udføres samtidigt. Vi er glade for, at udstyret, teknologi og ekspertise udviklet af forskere fra RAL har bidraget til arbejdet med at skubbe grænsen for denne vigtige parameter"

Dr. Clark Griffith, Underviser i fysik fra School of Mathematical and Physical Sciences ved University of Sussex, sagde:

"Dette eksperiment samler teknikker fra atom- og lavenergikernefysik, inklusive laserbaseret optisk magnetometri og kvante-spin-manipulation. Ved at bruge disse multidisciplinære værktøjer til at måle neutronens egenskaber ekstremt præcist, vi er i stand til at undersøge spørgsmål, der er relevante for højenergipartikelfysik og den grundlæggende karakter af de symmetrier, der ligger til grund for universet. "

50, 000 målinger

Ethvert elektrisk dipolmoment, som en neutron kan have, er lille, og så er det ekstremt svært at måle. Tidligere målinger fra andre forskere har bekræftet dette. I særdeleshed, holdet måtte gå meget langt for at holde det lokale magnetfelt meget konstant under deres seneste måling. For eksempel, hver lastbil, der kørte forbi på vejen ved siden af ​​instituttet, forstyrrede magnetfeltet i en skala, der ville have haft betydning for eksperimentet, så denne effekt skulle der kompenseres for under målingen.

Også, antallet af observerede neutroner skulle være stort nok til at give mulighed for at måle det elektriske dipolmoment. Målingerne løb over en periode på to år. Såkaldte ultrakolde neutroner, det er, neutroner med en forholdsvis lav hastighed, blev målt. Hvert 300. sekund, en flok på mere end 10, 000 neutroner blev rettet til eksperimentet og undersøgt i detaljer. Forskerne målte i alt 50, 000 sådanne bundter.

En ny international standard er sat

Forskernes seneste resultater understøttede og forbedrede deres forgængeres:en ny international standard er blevet sat. Størrelsen af ​​EDM er stadig for lille til at måle med de instrumenter, der har været brugt indtil nu, så nogle teorier, der forsøgte at forklare overskuddet af stof, er blevet mindre sandsynlige. Mysteriet består derfor, indtil videre.

Den næste, mere præcis, måling er allerede ved at blive konstrueret hos PSI. PSI-samarbejdet forventer at starte deres næste serie af målinger i 2021.

Søg efter "ny fysik"

Det nye resultat blev bestemt af en gruppe forskere ved 18 institutter og universiteter i Europa og USA på baggrund af data indsamlet ved PSI's ultrakolde neutronkilde. Forskerne indsamlede måledata der over en periode på to år, evaluerede det meget omhyggeligt i to separate teams, og var derefter i stand til at opnå et mere nøjagtigt resultat end nogensinde før.

Forskningsprojektet er en del af søgen efter "ny fysik", der ville gå ud over den såkaldte Standard Model of Physics, som angiver egenskaberne for alle kendte partikler. Dette er også et vigtigt mål for eksperimenter på større anlæg såsom Large Hadron Collider (LHC) ved CERN.

De teknikker, der oprindeligt blev udviklet til den første EDM-måling i 1950'erne, førte til verdensforandrende udviklinger såsom atomure og MR-scannere, og den dag i dag bevarer den sin enorme og vedvarende indflydelse inden for partikelfysik.