Waarom bevat het waarneembare heelal vrijwel geen antimaterie? Deeltjes van antimaterie hebben dezelfde massa maar tegengestelde elektrische lading als hun materie-tegenhangers. In het laboratorium kunnen zeer kleine hoeveelheden antimaterie worden aangemaakt. Echter, elders in het heelal wordt nauwelijks antimaterie waargenomen.

Natuurkundigen geloven dat er in de vroege geschiedenis van het universum gelijke hoeveelheden materie en antimaterie waren - dus hoe is de antimaterie verdwenen? Een onderzoeker van de Michigan State University maakt deel uit van een team van onderzoekers dat deze vragen onderzoekt in een recent gepubliceerd artikel in: Beoordelingen van Moderne Natuurkunde .

Jaideep Taggart Singh, MSU-assistent-professor natuurkunde bij de Facility for Rare Isotope Beams, of VRIJ, bestudeert atomen en moleculen ingebed in vaste stoffen met behulp van lasers. Singh heeft een gezamenlijke aanstelling in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de MSU.

Het antwoord zou geworteld kunnen zijn in de aard van krachten tussen subatomaire deeltjes die niet hetzelfde zijn wanneer de tijd wordt omgekeerd. Natuurkundigen theoretiseren dat deze schending van de tijdomkering het belangrijkste ingrediënt is dat nodig is om het kosmische mysterie van de ontbrekende antimaterie te ontrafelen. Dergelijke tijdomkering schendende krachten resulteren in een eigenschap in deeltjes die een permanent elektrisch dipoolmoment (EDM) wordt genoemd. Al meer dan 60 jaar, natuurkundigen hebben met toenemende precisie naar EDM's gezocht, maar ze hebben ze nooit waargenomen. Echter, recente theorieën over deeltjesfysica voorspellen meetbare EDM's. Dit heeft geleid tot een wereldwijde zoektocht naar EDM's in systemen zoals neutronen, moleculen, en atomen.

EDM-zoekopdrachten omvatten vaak atoomklokken die in een gecontroleerd magnetisch veld werken (uniform in de ruimte en stabiel in de tijd). In een elektrisch veld, een ultrastabiele atoomklok met een niet-nul EDM zal iets sneller of langzamer lopen. Het succes van dergelijke experimenten hangt af van hoe goed natuurkundigen het omringende magnetische veld en andere omgevingsfactoren kunnen beheersen.

EDM's van atomen zoals radium en kwik zijn voornamelijk te wijten aan krachten die hun oorsprong vinden in het nucleaire medium. De beste limieten voor dit soort krachten worden momenteel afgeleid van het kwik-199-atoom. Onderzoekers van de Universiteit van Washington, Seattle, hebben ontdekt dat hun kwik-199-klok minder dan één seconde per 400 eeuwen verliest. Dit experiment kan niet worden verbeterd, tenzij men een klok kan bouwen die minder gevoelig is voor omgevingsfactoren. Een concurrerend experiment dat precies dat probeert te doen, is de zoektocht naar de EDM van radium-225. Het is een samenwerking tussen Argonne National Laboratory, Michigan State universiteit, en de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China.

De zeldzame isotoop radium-225 is een aantrekkelijk alternatief. Zijn "peervormige" kern (zie afbeelding) versterkt de waarneembare EDM met orden van grootte in vergelijking met de bijna bolvormige kern van kwik-199. Om een ​​competitief experiment uit te voeren, een radium-225-klok hoeft maar om de twee jaar stabiel te zijn tot minder dan één seconde. Dit is moeilijk maar haalbaar. De gevoeligheid van deze radiumklok wordt momenteel alleen beperkt door het kleine aantal beschikbare atomen (ongeveer 0,000005 milligram per dag). In de toekomst, met behulp van een nog meer "peervormige" kernen, zoals de zeldzame isotoop protactinium-229, kan de gevoeligheid van deze EDM-zoekopdrachten met nog eens een factor duizend verbeteren. Met andere woorden, een competitief experiment met een protactiniumklok zou slechts stabiel hoeven te zijn tot minder dan één seconde per dag.

"We, alles wat we zien, en de rest van het waarneembare heelal bestaat omdat de antimaterie verdween tijdens de geboorte van het heelal, Singh zei. "Het ontdekken van een nieuwe bron van schending van de tijdomkering, misschien met behulp van zeldzame peervormige kernen, zou beginnen uit te leggen hoe dit is gebeurd."

FRIB zal een overvloed aan peervormige kernen produceren, zoals radium-225 en, Voor de eerste keer, protactinium-229. Dit zal een zoektocht naar een EDM met ongekende gevoeligheid mogelijk maken om de antimateriepuzzel te beantwoorden.

MSU richt FRIB op als een nieuwe wetenschappelijke gebruikersfaciliteit voor het Office of Nuclear Physics in het Amerikaanse Department of Energy Office of Science. In aanbouw op de campus en beheerd door MSU, FRIB zal wetenschappers in staat stellen ontdekkingen te doen over de eigenschappen van zeldzame isotopen om de fysica van kernen beter te begrijpen, nucleaire astrofysica, fundamentele interacties, en toepassingen voor de samenleving, ook in de geneeskunde, binnenlandse veiligheid, en industrie.