Een element dat de sleutel zou kunnen zijn tot het al lang bestaande mysterie rond waarom er veel meer materie dan antimaterie in ons universum is, is ontdekt door een team van natuurkundigen onder leiding van de University of the West of Scotland (UWS).

De UWS en University of Strathclyde academici hebben ontdekt, in onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , dat een van de isotopen van het element thorium de meest peervormige kern bezit die nog moet worden ontdekt. Kernen vergelijkbaar met thorium-228 kunnen nu mogelijk worden gebruikt om nieuwe tests uit te voeren om het antwoord te vinden op het mysterie rond materie en antimaterie.

Dr. David O'Donnell van UWS, die het project leidde, zei:"Ons onderzoek toont aan dat, met goede ideeën, toonaangevende kernfysica-experimenten kunnen worden uitgevoerd in universitaire laboratoria.

"Dit werk vormt een aanvulling op de experimenten die kernfysici van UWS leiden in grote experimentele faciliteiten over de hele wereld. Het kunnen uitvoeren van experimenten zoals deze biedt uitstekende training voor onze studenten."

De natuurkunde legt uit dat het heelal is samengesteld uit fundamentele deeltjes zoals de elektronen die in elk atoom worden aangetroffen. Het standaardmodel, de beste theorie die natuurkundigen hebben om de subatomaire eigenschappen van alle materie in het heelal te beschrijven, voorspelt dat elk fundamenteel deeltje een soortgelijk antideeltje kan hebben. Gezamenlijk de antideeltjes, die bijna identiek zijn aan hun materie-tegenhangers, behalve dat ze een tegengestelde lading hebben, staan ​​bekend als antimaterie.

Volgens het standaardmodel, materie en antimaterie zouden ten tijde van de oerknal in gelijke hoeveelheden moeten zijn ontstaan, maar ons heelal bestaat bijna volledig uit materie.

In theorie, een elektrisch dipoolmoment (EDM) kan ervoor zorgen dat materie en antimaterie met verschillende snelheden vervallen, een verklaring geven voor de asymmetrie in materie en antimaterie in ons heelal.

Peervormige kernen zijn voorgesteld als ideale fysieke systemen om te zoeken naar het bestaan ​​van een EDM in een fundamenteel deeltje zoals een elektron. De peervorm betekent dat de kern een EDM genereert door de protonen en neutronen niet-uniform over het nucleaire volume te verdelen.

Door experimenten uitgevoerd in laboratoria op de Paisley Campus van UWS, onderzoekers hebben ontdekt dat de kernen in thorium-228-atomen de meest uitgesproken peervorm hebben die tot nu toe is ontdekt. Als resultaat, kernen zoals thorium-228 zijn geïdentificeerd als ideale kandidaten om te zoeken naar het bestaan ​​van een EDM.

Het onderzoeksteam bestond uit Dr. O'Donnell, Dr. Michael Bowry, Dr. Bondili Sreenivasa Nara Singh, Professor Marcus Scheck, Professor John F Smith en Dr. Pietro Spagnoletti van UWS's School of Computing, Ingenieurswetenschappen en Exacte Wetenschappen; en professor Dino Jaroszynski van de Universiteit van Strathclyde, en Ph.D. studenten Majid Chishti en Giorgio Battaglia.

Professor Dino Jaroszynski, Directeur van het Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA) aan de Universiteit van Strathclyde, zei:"Deze gezamenlijke inspanning, die steunt op de expertise van een diverse groep wetenschappers, is een mooi voorbeeld van hoe samenwerking tot een grote doorbraak kan leiden. Het benadrukt de samenwerkingsgeest binnen de Schotse natuurkundegemeenschap die wordt gekoesterd door de Scottish University Physics Alliance (SUPA) en legt de basis voor onze samenwerkingsexperimenten bij SCAPA."

De experimenten begonnen met een monster van thorium-232, met een halfwaardetijd van 14 miljard jaar, wat betekent dat het heel langzaam vergaat. De vervalketen van deze kern creëert opgewonden kwantummechanische toestanden van de kern thorium-228. Dergelijke toestanden vervallen binnen nanoseconden nadat ze zijn gecreëerd, door gammastraling uit te zenden.

Dr. O'Donnell en zijn team gebruikten zeer gevoelige ultramoderne scintillatordetectoren om deze ultrazeldzame en snelle vervalsingen te detecteren. Met zorgvuldige configuratie van detectoren en signaalverwerkingselektronica, het onderzoeksteam heeft de levensduur van de aangeslagen kwantumtoestanden nauwkeurig kunnen meten, met een nauwkeurigheid van twee biljoenste van een seconde. Hoe korter de levensduur van de kwantumtoestand, hoe meer uitgesproken de peervorm van de thorium-228-kern, waardoor onderzoekers een grotere kans hebben om een ​​EDM te vinden.