Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben een eigenschap van het neutron nauwkeuriger dan ooit gemeten. Daarbij kwamen ze erachter dat het elementaire deeltje een aanzienlijk kleiner elektrisch dipoolmoment heeft dan eerder werd aangenomen. Met dat, het is ook minder waarschijnlijk geworden dat dit dipoolmoment kan helpen om de oorsprong van alle materie in het universum te verklaren. De onderzoekers bereikten dit resultaat met behulp van de ultrakoude neutronenbron bij PSI. Ze rapporteren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De oerknal creëerde zowel de materie in het heelal als de antimaterie - althans volgens de gevestigde theorie. Aangezien de twee elkaar wederzijds vernietigen, echter, er moet een overschot aan materie zijn geweest, die tot op de dag van vandaag is gebleven. De oorzaak van deze overmaat aan materie is een van de grote mysteries van de natuurkunde en astronomie. Onderzoekers hopen met behulp van neutronen een aanwijzing te vinden voor het onderliggende fenomeen, de elektrisch ongeladen elementaire bouwstenen van atomen. De aanname:als het neutron een zogenaamd elektrisch dipoolmoment (afgekort nEDM) had met een meetbare niet-nulwaarde, dit zou te wijten kunnen zijn aan hetzelfde natuurkundige principe dat ook de overmaat aan materie na de oerknal zou verklaren.

50, 000 metingen

De zoektocht naar de nEDM kan in alledaagse taal worden uitgedrukt als de vraag of het neutron een elektrisch kompas is of niet. Het is al lang duidelijk dat het neutron een magnetisch kompas is en reageert op een magnetisch veld, of, in vakjargon:heeft een magnetisch dipoolmoment. Als bovendien het neutron ook een elektrisch dipoolmoment had, de waarde ervan zou veel minder zijn - en dus veel moeilijker te meten. Eerdere metingen van andere onderzoekers hebben dit uitgewezen. Daarom, de onderzoekers van PSI moesten bij hun laatste meting tot het uiterste gaan om het lokale magnetische veld zeer constant te houden. Elke vrachtwagen die langs de weg langs PSI reed, verstoorde het magnetische veld op een schaal die relevant was voor het experiment, dus dit effect moest worden berekend en verwijderd uit de experimentele gegevens.

Ook, het aantal waargenomen neutronen moest groot genoeg zijn om de nEDM te kunnen meten. De metingen bij PSI liepen dus over een periode van twee jaar. Zogenaamde ultrakoude neutronen, dat is, neutronen met een relatief lage snelheid, waren gemeten. Elke 300 seconden, een bundel van acht seconden met meer dan 10, 000 neutronen werden naar het experiment geleid en onderzocht. De onderzoekers maten in totaal 50, 000 van dergelijke bundels.

"Zelfs voor PSI met zijn grote onderzoeksfaciliteiten, dit was een vrij uitgebreide studie, " zegt Philipp Schmidt-Wellenburg, een onderzoeker op het nEDM-project van PSI. "Maar dat is precies wat we tegenwoordig nodig hebben als we op zoek zijn naar natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel."

Zoeken naar "nieuwe fysica"

Het nieuwe resultaat is vastgesteld door een groep onderzoekers van 18 instituten en universiteiten in Europa en de VS, waaronder de ETH Zürich, de Universiteit van Bern en de Universiteit van Fribourg. De gegevens waren verzameld bij de ultrakoude neutronenbron van PSI. De onderzoekers hadden daar in de loop van twee jaar meetgegevens verzameld, evalueerde het zeer zorgvuldig in twee teams, en kreeg daardoor een nauwkeuriger resultaat dan ooit tevoren.

Het nEDM-onderzoeksproject maakt deel uit van de zoektocht naar "nieuwe fysica" die verder zou gaan dan het zogenaamde standaardmodel. Dit wordt ook gezocht bij nog grotere faciliteiten zoals de Large Hadron Collider LHC bij CERN. "Het onderzoek bij CERN is breed en zoekt in het algemeen naar nieuwe deeltjes en hun eigenschappen, " legt Schmidt-Wellenburg uit. "We gaan daarentegen diep, omdat we alleen naar de eigenschappen van één deeltje kijken, het neutron. In ruil, echter, we bereiken een nauwkeurigheid in dit detail die de LHC misschien pas over 100 jaar bereikt."

"Uiteindelijk, " zegt Georg Bison, die net als Schmidt-Wellenburg onderzoeker is in het Laboratorium voor Deeltjesfysica van PSI, "verschillende metingen op de kosmologische schaal laten afwijkingen van het standaardmodel zien. niemand heeft deze resultaten tot nu toe in het laboratorium kunnen reproduceren. Dit is een van de grote vragen in de moderne natuurkunde, en dat maakt ons werk zo boeiend."

Er zijn nog nauwkeurigere metingen gepland

Met hun laatste experiment, de onderzoekers hebben eerdere laboratoriumresultaten bevestigd. "Ook ons ​​huidige resultaat leverde een waarde voor nEDM op die te klein is om te meten met de instrumenten die tot nu toe zijn gebruikt - de waarde is te dicht bij nul, ", zegt Schmidt-Wellenburg. "Dus het is minder waarschijnlijk geworden dat het neutron de overmaat aan materie zal helpen verklaren. Maar helemaal uit te sluiten is het nog steeds niet. En in ieder geval, de wetenschap is geïnteresseerd in de exacte waarde van de nEDM om te zien of het kan worden gebruikt om nieuwe fysica te ontdekken."

Daarom, de volgende, een nauwkeurigere meting wordt al gepland. "Toen we de huidige bron voor ultrakoude neutronen hier bij PSI in 2010 opstartten, we wisten al dat de rest van het experiment het niet helemaal recht zou doen. Dus we bouwen momenteel een passend groter experiment, ", legt Bison uit. De PSI-onderzoekers verwachten in 2021 met de volgende reeks metingen van de nEDM te beginnen en, beurtelings, om de huidige te overtreffen in termen van nauwkeurigheid.

"We hebben de afgelopen tien jaar veel ervaring opgedaan en hebben deze kunnen gebruiken om ons experiment voortdurend te optimaliseren - zowel met betrekking tot onze neutronenbron als in het algemeen voor de best mogelijke evaluatie van dergelijke complexe gegevens in de deeltjesfysica, ", zegt Schmidt-Wellenburg. "De huidige publicatie heeft een nieuwe internationale standaard gezet."