¿Por qué el universo observable no contiene prácticamente antimateria? Las partículas de antimateria tienen la misma masa pero carga eléctrica opuesta a sus contrapartes de materia. Se pueden crear cantidades muy pequeñas de antimateria en el laboratorio. Sin embargo, apenas se observa antimateria en otras partes del universo.

Los físicos creen que había cantidades iguales de materia y antimateria en la historia temprana del universo, entonces, ¿cómo se desvaneció la antimateria? Un investigador de la Universidad Estatal de Michigan es parte de un equipo de investigadores que examina estas preguntas en un artículo publicado recientemente en Reseñas de Física moderna .

Jaideep Taggart Singh, Profesor asistente de Física de la MSU en la Instalación de Rayos de Isótopos Raros, o FRIB, estudia átomos y moléculas incrustados en sólidos utilizando láseres. Singh tiene un nombramiento conjunto en el Departamento de Física y Astronomía de la MSU.

La respuesta podría estar enraizada en la naturaleza de las fuerzas entre partículas subatómicas que no son las mismas cuando se invierte el tiempo. Los físicos teorizan que esta violación de la inversión del tiempo es el ingrediente clave necesario para desentrañar el misterio cósmico de la antimateria perdida. Tales fuerzas que violan la inversión del tiempo dan como resultado una propiedad en las partículas llamada momento dipolar eléctrico permanente (EDM). Durante más de 60 años, Los físicos han buscado EDM con una precisión cada vez mayor, pero nunca los han observado. Sin embargo, las teorías recientes de la física de partículas predicen EDM medibles. Esto ha llevado a una búsqueda mundial de EDM en sistemas como neutrones, moléculas, y átomos.

Las búsquedas de EDM a menudo involucran relojes atómicos que operan en un campo magnético controlado (uniforme en el espacio y estable en el tiempo). En un campo eléctrico un reloj atómico ultraestable con un EDM distinto de cero funcionará un poco más rápido o más lento. El éxito de tales experimentos depende de qué tan bien los físicos puedan controlar el campo magnético circundante y otros factores ambientales.

Los EDM de átomos como el radio y el mercurio se deben principalmente a fuerzas que se originan en el medio nuclear. Los mejores límites para este tipo de fuerzas se derivan actualmente del átomo de mercurio-199. Investigadores de la Universidad de Washington, Seattle, han descubierto que su reloj de mercurio-199 pierde menos de un segundo cada 400 siglos. Es imposible mejorar este experimento a menos que se pueda construir un reloj menos sensible a los factores ambientales. Un experimento competitivo que busca hacer precisamente eso es la búsqueda de la electroerosión de radio-225. Es una colaboración entre el Laboratorio Nacional Argonne, Universidad del estado de michigan, y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.

El raro isótopo radio-225 es una alternativa atractiva. Su núcleo "en forma de pera" (ver figura) amplifica la EDM observable en órdenes de magnitud en comparación con el núcleo casi esférico de mercurio-199. Para realizar un experimento competitivo, un reloj de radio 225 solo necesita ser estable a menos de un segundo cada dos años. Esto es difícil pero factible. La sensibilidad de este reloj de radio está limitada actualmente solo por la pequeña cantidad de átomos disponibles (aproximadamente 0.000005 miligramos por día). En el futuro, utilizando un núcleo aún más "en forma de pera", como el raro isótopo protactinio-229, puede mejorar la sensibilidad de estas búsquedas EDM en otro factor de mil. En otras palabras, un experimento competitivo con un reloj de protactinio solo necesitaría ser estable a menos de un segundo cada día.

"Nosotros, todo lo que vemos y el resto del universo observable existe porque la antimateria desapareció durante el nacimiento del universo, ", Dijo Singh." Descubriendo una nueva fuente de violación de la inversión del tiempo, quizás usando núcleos raros en forma de pera, comenzaría a explicar cómo sucedió esto ".

FRIB producirá una gran cantidad de núcleos en forma de pera como el radio-225 y, por primera vez, protactinio-229. Esto permitirá la búsqueda de un EDM con una sensibilidad sin precedentes para responder al acertijo de la antimateria.

MSU está estableciendo FRIB como una nueva instalación de usuarios científicos para la Oficina de Física Nuclear en la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. En construcción en el campus y operado por MSU, FRIB permitirá a los científicos hacer descubrimientos sobre las propiedades de isótopos raros para comprender mejor la física de los núcleos, astrofísica nuclear, interacciones fundamentales, y aplicaciones para la sociedad, incluso en medicina, seguridad nacional, e industria.