Langvarig mysterium om stof og antimateriale kan blive løst

Et element, der kunne indeholde nøglen til det mangeårige mysterium om, hvorfor der er meget mere stof end antimateriale i vores univers, er blevet opdaget af et team af fysikere på universitetet i det vestlige Skotland (UWS).

UWS og University of Strathclyde akademikere har opdaget, i forskning offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , at en af ​​isotoper af elementet thorium besidder den mest pæreformede kerne, der endnu ikke er opdaget. Kerner, der ligner thorium-228, kan nu muligvis bruges til at udføre nye tests for at prøve at finde svaret på mysteriet omkring stof og antimateriale.

UWS's Dr. David O'Donnell, der ledede projektet, sagde:"Vores forskning viser, at med gode ideer, verdensførende atomfysiske eksperimenter kan udføres i universitetslaboratorier.

"Dette arbejde forstærker de eksperimenter, som atomfysikere ved UWS fører på store forsøgsfaciliteter rundt om i verden. At kunne udføre forsøg som dette giver fremragende uddannelse for vores studerende."

Fysik forklarer, at universet består af grundlæggende partikler som elektroner, der findes i hvert atom. Standardmodellen, den bedste teori skal fysikere beskrive de subatomære egenskaber for alt stof i universet, forudsiger, at hver grundpartikel kan have en lignende antipartikel. Tilsammen antipartiklerne, som er næsten identiske med deres stofmodparter, undtagen at de bærer modsat ladning, er kendt som antimateriale.

Ifølge standardmodellen, stof og antimateriale skulle have været skabt i lige store mængder på tidspunktet for Big Bang - alligevel er vores univers næsten udelukkende lavet af stof.

I teorien, et elektrisk dipolmoment (EDM) kunne tillade stof og antimateriale at forfalde med forskellige hastigheder, giver en forklaring på asymmetrien i materie og antimateriale i vores univers.

Pæreformede kerner er blevet foreslået som ideelle fysiske systemer, hvor man kan lede efter eksistensen af ​​en EDM i en grundlæggende partikel, såsom en elektron. Pæreformen betyder, at kernen genererer en EDM ved at have protoner og neutroner fordelt ujævnt i hele atomvolumenet.

Gennem eksperimenter udført i laboratorier på UWS's Paisley Campus, forskere har fundet ud af, at kernerne i thorium-228 atomer har den mest udtalte pæreform, der er fundet indtil nu. Som resultat, kerner som thorium-228 er blevet identificeret som ideelle kandidater til at søge efter eksistensen af ​​en EDM.

Forskerteamet bestod af Dr. O'Donnell, Dr. Michael Bowry, Dr. Bondili Sreenivasa Nara Singh, Professor Marcus Scheck, Professor John F Smith og Dr. Pietro Spagnoletti fra UWS's School of Computing, Engineering og fysiske videnskaber; og University of Strathclydes professor Dino Jaroszynski, og ph.d. studerende Majid Chishti og Giorgio Battaglia.

Professor Dino Jaroszynski, Direktør for det skotske center for anvendelse af plasma-baserede acceleratorer (SCAPA) ved University of Strathclyde, sagde:"Denne samarbejdsindsats, som bygger på ekspertisen fra en forskelligartet gruppe forskere, er et glimrende eksempel på, hvordan samarbejde kan føre til et stort gennembrud. Det fremhæver samarbejdsånden inden for det skotske fysikfællesskab, der fremmes af Scottish University Physics Alliance (SUPA) og lægger grundlaget for vores samarbejdseksperimenter på SCAPA. "

Forsøgene begyndte med en prøve af thorium-232, som har en halveringstid på 14 milliarder år, hvilket betyder, at det henfalder meget langsomt. Forfaldskæden i denne kerne skaber ophidsede kvantemekaniske tilstande i kernen thorium-228. Sådanne stater forfalder inden for nanosekunder efter at de blev skabt, ved at udsende gammastråler.

Dr. O'Donnell og hans team brugte meget følsomme state-of-the-art scintillatordetektorer til at opdage disse ultrasjældne og hurtige forfald. Med omhyggelig konfiguration af detektorer og signalbehandlingselektronik, forskergruppen har været i stand til nøjagtigt at måle levetiden for de ophidsede kvantetilstande, med en nøjagtighed på to billioner af et sekund. Jo kortere levetiden for kvantetilstanden er, jo mere udtalt er pæreformen af ​​thorium-228-kernen-hvilket giver forskere en bedre chance for at finde en EDM.