Sporer stofets mysterium

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har målt en egenskab af neutronen mere præcist end nogensinde før. I processen fandt de ud af, at elementarpartiklen har et betydeligt mindre elektrisk dipolmoment end tidligere antaget. Med det, det er også blevet mindre sandsynligt, at dette dipolmoment kan hjælpe med at forklare oprindelsen af ​​alt stof i universet. Forskerne opnåede dette resultat ved hjælp af ultrakold neutronkilde på PSI. De rapporterer deres resultater i dag i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

Big Bang skabte både sagen i universet og antimateriet - i hvert fald ifølge den etablerede teori. Da de to gensidigt tilintetgør hinanden, imidlertid, der må have været et overskud af stof, som har været den dag i dag. Årsagen til dette overskydende stof er et af de store mysterier i fysik og astronomi. Forskere håber at finde et fingerpeg om det underliggende fænomen ved hjælp af neutroner, de elektrisk uladede elementære byggesten i atomer. Antagelsen:Hvis neutronen havde et såkaldt elektrisk dipolmoment (forkortet nEDM) med en målbar værdi uden nul, dette kan skyldes det samme fysiske princip, der også ville forklare overskydende stof efter Big Bang.

50, 000 målinger

Søgningen efter nEDM kan udtrykkes i dagligsproget som spørgsmålet om, hvorvidt neutronen er et elektrisk kompas eller ej. Det har længe været klart, at neutronen er et magnetisk kompas og reagerer på et magnetfelt, eller, i teknisk jargon:har et magnetisk dipolmoment. Hvis neutronen derudover også havde et elektrisk dipolmoment, dens værdi ville være meget meget mindre - og dermed meget vanskeligere at måle. Tidligere målinger fra andre forskere har bekræftet dette. Derfor, forskerne på PSI måtte gå langt for at holde det lokale magnetfelt meget konstant under deres seneste måling. Hver lastbil, der kørte forbi på vejen ved siden af ​​PSI, forstyrrede magnetfeltet på en skala, der var relevant for forsøget, så denne effekt skulle beregnes og fjernes fra de eksperimentelle data.

Også, antallet af observerede neutroner skulle være stort nok til at give en chance for at måle nEDM. Målingerne på PSI løb derfor over en periode på to år. Såkaldte ultrakoldne neutroner, det er, neutroner med en forholdsvis langsom hastighed, blev målt. Hvert 300 sekund, et otte sekund langt bundt med over 10, 000 neutroner blev ledt til forsøget og undersøgt. Forskerne målte i alt 50, 000 sådanne bundter.

"Selv for PSI med sine store forskningsfaciliteter, dette var en ret omfattende undersøgelse, "siger Philipp Schmidt-Wellenburg, en forsker om nEDM -projektet fra PSI's side. "Men det er præcis, hvad der er nødvendigt i disse dage, hvis vi leder efter fysik ud over standardmodellen."

Søg efter "ny fysik"

Det nye resultat blev bestemt af en gruppe forskere ved 18 institutter og universiteter i Europa og USA, blandt dem ETH Zürich, universitetet i Bern og universitetet i Fribourg. Dataene var blevet indsamlet ved PSIs ultrakølede neutronkilde. Forskerne havde samlet måledata der over to år, vurderet det meget omhyggeligt i to teams, og derigennem opnået et mere præcist resultat end nogensinde før.

NEDM-forskningsprojektet er en del af søgen efter "ny fysik", der ville gå ud over den såkaldte Standard Model. Dette søges også på endnu større faciliteter såsom Large Hadron Collider LHC på CERN. "Forskningen på CERN er bred og søger generelt efter nye partikler og deres egenskaber, "forklarer Schmidt-Wellenburg." Vi går på den anden side dybt, fordi vi kun ser på egenskaberne af en partikel, neutronen. I bytte, imidlertid, vi opnår en nøjagtighed i denne detalje, som LHC måske kun når om 100 år. "

"Ultimativt, "siger Georg Bison, der ligesom Schmidt-Wellenburg er forsker i Laboratory for Particle Physics på PSI, "forskellige målinger på den kosmologiske skala viser afvigelser fra standardmodellen. I modsætning hertil er ingen har endnu været i stand til at gengive disse resultater i laboratoriet. Dette er et af de helt store spørgsmål i moderne fysik, og det er det, der gør vores arbejde så spændende. "

Endnu mere præcise målinger er planlagt

Med deres seneste forsøg, forskerne har bekræftet tidligere laboratorieresultater. "Også vores nuværende resultat gav en værdi for nEDM, der er for lille til at måle med de instrumenter, der har været brugt indtil nu - værdien er for tæt på nul, "siger Schmidt-Wellenburg." Så det er blevet mindre sandsynligt, at neutronen vil hjælpe med at forklare overskydende stof. Men det kan stadig ikke helt udelukkes. Og under alle omstændigheder, videnskaben er interesseret i den nøjagtige værdi af nEDM for at finde ud af, om den kan bruges til at opdage ny fysik. "

Derfor, den næste, mere præcis måling er allerede under planlægning. "Da vi startede den nuværende kilde til ultrakølede neutroner her på PSI i 2010, vi vidste allerede, at resten af ​​eksperimentet ikke helt ville gøre det retfærdigt. Så vi bygger i øjeblikket et passende større eksperiment, "forklarer Bison. PSI -forskerne forventer at starte den næste række målinger af nEDM inden 2021 og, på tur, at overgå den nuværende med hensyn til nøjagtighed.

"Vi har opnået stor erfaring i de sidste ti år og har været i stand til at bruge det til løbende at optimere vores eksperiment - både med hensyn til vores neutronkilde og generelt til den bedst mulige evaluering af så komplekse data i partikelfysik, "siger Schmidt-Wellenburg." Den nuværende publikation har sat en ny international standard. "