Wetenschappers van de Universiteit van Sussex hebben een eigenschap van het neutron - een fundamenteel deeltje in het universum - nauwkeuriger dan ooit gemeten. Hun onderzoek maakt deel uit van een onderzoek naar waarom er materie over is in het heelal, dat is, waarom alle antimaterie die in de oerknal is gecreëerd, niet alleen de zaak opheft.

Het team, waaronder het Rutherford Appleton Laboratory van de Science and Technology Facilities Council (STFC) in het VK, het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Zwitserland, en een aantal andere instellingen onderzochten of het neutron al dan niet werkt als een 'elektrisch kompas'. Van neutronen wordt aangenomen dat ze enigszins asymmetrisch van vorm zijn, aan de ene kant licht positief en aan de andere kant licht negatief - een beetje zoals het elektrische equivalent van een staafmagneet. Dit is het zogenaamde "elektrisch dipoolmoment" (EDM), en dat is waar het team naar op zoek was.

Dit is een belangrijk stukje van de puzzel in het mysterie waarom materie in het heelal blijft, omdat wetenschappelijke theorieën over waarom er materie over is ook voorspellen dat neutronen de eigenschap "elektrisch kompas" hebben, in meer of mindere mate. Door het te meten, helpt het wetenschappers om dichter bij de waarheid te komen over waarom materie blijft bestaan.

Het team van natuurkundigen ontdekte dat het neutron een aanzienlijk kleinere EDM heeft dan voorspeld door verschillende theorieën over waarom materie in het universum blijft; hierdoor is de kans kleiner dat deze theorieën correct zijn, dus ze moeten worden gewijzigd, of nieuwe theorieën gevonden. In de literatuur wordt zelfs gezegd dat door de jaren heen, deze EDM-metingen, beschouwd als een set, hebben waarschijnlijk meer theorieën weerlegd dan enig ander experiment in de geschiedenis van de natuurkunde. De resultaten worden vandaag bekendgemaakt, vrijdag 28 februari 2020, in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven .

Professor Philip Harris, Hoofd van de School of Mathematical and Physical Sciences en leider van de EDM-groep aan de University of Sussex, zei:

"Na meer dan twee decennia werk van onderzoekers aan de Universiteit van Sussex en elders, een eindresultaat is naar voren gekomen van een experiment dat is ontworpen om een ​​van de meest diepgaande problemen in de kosmologie van de afgelopen vijftig jaar aan te pakken:namelijk, de vraag waarom het heelal zoveel meer materie bevat dan antimaterie, en, inderdaad, waarom het nu überhaupt iets bevat. Waarom heeft de antimaterie niet alle materie opgeheven? Waarom blijft er iets over?

"Het antwoord heeft betrekking op een structurele asymmetrie die zou moeten verschijnen in fundamentele deeltjes zoals neutronen. Dit is waar we naar op zoek waren. We hebben ontdekt dat het "elektrische dipoolmoment" kleiner is dan eerder werd aangenomen. Dit helpt ons om uit te sluiten theorieën over waarom er materie over is - omdat de theorieën die de twee dingen beheersen met elkaar verbonden zijn.

"We hebben een nieuwe internationale standaard gezet voor de gevoeligheid van dit experiment. Wat we zoeken in het neutron - de asymmetrie die laat zien dat het aan de ene kant positief is en aan de andere kant negatief - is ongelooflijk klein. Ons experiment was in staat om dit zo gedetailleerd te meten dat als de asymmetrie zou kunnen worden opgeschaald tot de grootte van een voetbal, dan zou een voetbal met dezelfde hoeveelheid opgeschaald het zichtbare heelal vullen."

Het experiment is een verbeterde versie van het apparaat dat oorspronkelijk is ontworpen door onderzoekers van de Universiteit van Sussex en het Rutherford Appleton Laboratory (RAL), en die van 1999 tot nu onafgebroken het wereldwijde gevoeligheidsrecord heeft gehouden.

dr. Maurits van der Grinten, van de neutronen-EDM-groep van het Rutherford Appleton Laboratory (RAL), zei:"Het experiment combineert verschillende geavanceerde technologieën die allemaal tegelijkertijd moeten presteren. We zijn blij dat de apparatuur, technologie en expertise ontwikkeld door wetenschappers van RAL heeft bijgedragen aan het werk om de limiet op deze belangrijke parameter te verleggen"

Dr. Clark Griffith, Docent natuurkunde van de School of Mathematical and Physical Sciences aan de University of Sussex, zei:

"Dit experiment brengt technieken uit de atoomfysica en de lage-energiekernfysica samen, inclusief lasergebaseerde optische magnetometrie en kwantum-spinmanipulatie. Door deze multidisciplinaire instrumenten te gebruiken om de eigenschappen van het neutron uiterst nauwkeurig te meten, we zijn in staat om vragen te onderzoeken die relevant zijn voor de fysica van hoge energiedeeltjes en de fundamentele aard van de symmetrieën die ten grondslag liggen aan het universum. "

50, 000 metingen

Elk elektrisch dipoolmoment dat een neutron kan hebben, is klein, en is dus uiterst moeilijk te meten. Eerdere metingen van andere onderzoekers hebben dit uitgewezen. Vooral, het team moest tot het uiterste gaan om het lokale magnetische veld zeer constant te houden tijdens hun laatste meting. Bijvoorbeeld, elke vrachtwagen die langs de weg naast het instituut langsreed, verstoorde het magnetische veld op een schaal die significant zou zijn geweest voor het experiment, dit effect moest dus tijdens de meting worden gecompenseerd.

Ook, het aantal waargenomen neutronen moest groot genoeg zijn om het elektrische dipoolmoment te kunnen meten. De metingen liepen over een periode van twee jaar. Zogenaamde ultrakoude neutronen, dat is, neutronen met een relatief lage snelheid, waren gemeten. Elke 300 seconden, een bos van meer dan 10, 000 neutronen werden naar het experiment geleid en in detail onderzocht. De onderzoekers maten in totaal 50, 000 van zulke trossen.

Er is een nieuwe internationale standaard gezet

De nieuwste resultaten van de onderzoekers ondersteunden en verbeterden die van hun voorgangers:er is een nieuwe internationale standaard vastgesteld. De afmeting van de EDM is nog te klein om te meten met de tot nu toe gebruikte instrumenten, dus sommige theorieën die probeerden de overmaat aan materie te verklaren, zijn minder waarschijnlijk geworden. Het mysterie blijft dus, voorlopig.

De volgende, precieser, meting wordt al gebouwd bij PSI. De PSI-samenwerking verwacht in 2021 met hun volgende reeks metingen te beginnen.

Zoeken naar "nieuwe fysica"

Het nieuwe resultaat is bepaald door een groep onderzoekers van 18 instituten en universiteiten in Europa en de VS op basis van gegevens die zijn verzameld bij de ultrakoude neutronenbron van PSI. De onderzoekers verzamelden daar meetgegevens over een periode van twee jaar, evalueerde het zeer zorgvuldig in twee afzonderlijke teams, en waren toen in staat om een ​​nauwkeuriger resultaat te verkrijgen dan ooit tevoren.

Het onderzoeksproject maakt deel uit van de zoektocht naar "nieuwe fysica" die verder zou gaan dan het zogenaamde standaardmodel van de fysica, waarin de eigenschappen van alle bekende deeltjes worden uiteengezet. Dit is ook een belangrijk doel van experimenten bij grotere faciliteiten zoals de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN.

De technieken die oorspronkelijk werden ontwikkeld voor de eerste EDM-meting in de jaren vijftig, leidden tot wereldveranderende ontwikkelingen zoals atoomklokken en MRI-scanners, en tot op de dag van vandaag behoudt het zijn enorme en voortdurende impact op het gebied van deeltjesfysica.