Un altro passo verso la comprensione dell’asimmetria materia-antimateria nell’universo

Perché nell'universo rimane della materia, e invece non c'è praticamente traccia dell'antimateria?

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Un gruppo di ricercatori dell’Università del Sussex hanno misurato una proprietà del neutrone con una precisione mai raggiunta prima. La loro ricerca è parte di uno studio sul perché nell’universo rimane della materia, e invece non c’è praticamente traccia dell’antimateria.

La squadra composta dal Rutherford Appleton Laboratory del Consiglio scientifico e tecnologico (STFC) nel Regno Unito, dal Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera e da un certo numero di altre istituzioni, ha cercato di capire se il neutrone agisce o meno come una “bussola elettrica“.


Si pensa che i neutroni abbiano una forma leggermente asimmetrica, leggermente positiva a un’estremità e leggermente negativa all’estremità opposta, un po’ come l’equivalente elettrico di una barra magnetizzata. Questo è il cosiddetto “momento di dipolo elettrico” proprio quello che i ricercatori stavano cercando.

Questa scoperta è un pezzo importante del quesito sul perché la materia faccia parte dell’universo. Infatti le teorie scientifiche che spiegano l’esistenza della materia si basano sulla proprietà osservata nel neutrone che si comporta, appunto, come una specie di bussola magnetica. Misurare questa proprietà consente agli scienziati di capire perché la materia permane nell’universo.

I ricercatori hanno scoperto che il neutrone ha un momento di dipolo elettrico (EDM) significativamente più piccolo di quanto previsto dalle varie teorie sul perché la materia sia presente nell’universo; ciò rende meno probabile che queste teorie siano corrette, quindi devono essere modificate o devono essere formulate nuove teorie. In effetti è stato detto in letteratura che nel corso degli anni queste misurazioni “EDM”, considerate come un set, hanno probabilmente smentito più teorie di qualsiasi altro esperimento nella storia della fisica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.

Il professor Philip Harris, capo della School of Mathematical and Physical Sciences e leader del gruppo EDM dell’Università del Sussex, ha dichiarato: “Dopo oltre due decenni di lavoro dei ricercatori dell’Università del Sussex e di altre istituzioni, un risultato finale è emerso da un esperimento progettato per affrontare uno dei problemi più profondi della cosmologia negli ultimi cinquant’anni: vale a dire la questione del perché L’universo contiene materia. Perché l’antimateria non ha annullato tutta la materia? Perché è rimasta della materia?

La risposta si riferisce a un’asimmetria strutturale che dovrebbe apparire in particelle come i neutroni. Questo è ciò che stavamo cercando. Abbiamo scoperto che il “momento di dipolo elettrico” è più piccolo di quanto si credesse. Questo ci aiuta a escludere alcune teorie sul perché rimane la materia, perché le teorie che governano le due cose sono collegate”.

Abbiamo stabilito un nuovo standard internazionale per la sensibilità di questo esperimento. Ciò che stiamo cercando nel neutrone – l’asimmetria che mostra che è positivo da un lato e negativo dall’altro – è incredibilmente piccolo. Il nostro esperimento è stato in grado di misurarlo in modo così dettagliato che se l’asimmetria potesse essere aumentata fino alle dimensioni di un pallone da calcio, il pallone riempirebbe l’Universo visibile“.

L’esperimento è una versione aggiornata dell’apparato originariamente progettata dai ricercatori dell’Università del Sussex e del Rutherford Appleton Laboratory (RAL) e che ha registrato il record di sensibilità mondiale ininterrottamente dal 1999 ad oggi.

Il dott. Maurits van der Grinten, del gruppo EDM del Rutherford Appleton Laboratory (RAL), ha dichiarato: “L’esperimento combina varie tecnologie all’avanguardia che devono essere eseguite simultaneamente. Siamo lieti che l’attrezzatura, la tecnologia e l’esperienza sviluppata dagli scienziati della RAL abbia contribuito al lavoro per spingere il limite su questo importante parametro“.

50.000 misurazioni

Ogni momento di dipolo elettrico che un neutrone può presentare è piccolissimo, e quindi estremamente complicato da misurare. Le precedenti misurazioni effettuate da altri ricercatori lo hanno confermato. In particolare, il team ha dovuto fare di tutto per mantenere il campo magnetico locale costante durante le ultime misurazioni. Ad esempio, ogni camion che passava lungo la strada accanto all’istituto disturbava il campo magnetico su una scala che sarebbe stata significativa per l’esperimento, quindi questo effetto doveva essere compensato durante la fase delle misurazione.

Inoltre, il numero di neutroni osservati doveva essere abbastanza grande da fornire la possibilità di misurare il momento del dipolo elettrico. Le misurazioni sono proseguite per due anni. Sono stati misurati i cosiddetti neutroni ultrafreddi, cioè neutroni con una velocità relativamente bassa. Ogni 300 secondi, un gruppo di oltre 10.000 neutroni veniva indirizzato all’esperimento ed esaminato in dettaglio. I ricercatori hanno misurato un totale di 50.000 di questi gruppi.

Fissato un nuovo standard internazionale

Gli ultimi risultati dei ricercatori hanno supportato e migliorato quelli dei loro predecessori così da fissare un nuovo standard internazionale. Le dimensioni dell’EDM sono ancora troppo piccole per essere misurate con gli strumenti finora utilizzati, quindi alcune teorie che hanno tentato di spiegare l’eccesso di materia sono diventate meno probabili.

Il mistero rimane, per il momento.

La misurazione successiva, più precisa, è già in fase di realizzazione presso PSI. La collaborazione con PSI prevede di iniziare la prossima serie di misurazioni entro il 2021.

“Nuova fisica”

Il nuovo risultato è stato determinato da un gruppo di ricercatori di 18 istituti e università in Europa e negli Stati Uniti sulla base dei dati raccolti presso la fonte ultra neutra di neutroni del PSI. I ricercatori hanno raccolto lì i dati per un periodo di due anni, in seguito due team separati li hanno valutati con molta attenzione e sono stati in grado di ottenere un risultato più accurato che mai.

Il progetto di ricerca fa parte della ricerca della “nuova fisica” che andrà oltre il modello standard che definisce le proprietà di tutte le particelle conosciute. Questo è anche uno degli obiettivi principali degli esperimenti in strutture più grandi come il Large Hadron Collider (LHC) al CERN.

Le tecniche originariamente sviluppate per la prima misurazione dell’EDM negli anni ’50 hanno portato a sviluppi che hanno cambiato il mondo, come gli orologi atomici e gli scanner per la risonanza magnetica, e fino ad oggi mantengono il suo enorme e costante impatto nel campo della fisica delle particelle.

Fonte: Phys.org