Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han medido una propiedad del neutrón con más precisión que nunca. En el proceso, descubrieron que la partícula elemental tiene un momento dipolar eléctrico significativamente menor de lo que se suponía anteriormente. Con ese, También es menos probable que este momento dipolar pueda ayudar a explicar el origen de toda la materia del universo. Los investigadores lograron este resultado utilizando la fuente de neutrones ultrafríos en PSI. Informan hoy sus resultados en la revista Cartas de revisión física .

El Big Bang creó tanto la materia en el universo como la antimateria, al menos según la teoría establecida. Dado que los dos se aniquilan mutuamente, sin embargo, debe haber habido un excedente de materia, que ha permanecido hasta el día de hoy. La causa de este exceso de materia es uno de los grandes misterios de la física y la astronomía. Los investigadores esperan encontrar una pista del fenómeno subyacente con la ayuda de neutrones, los bloques de construcción elementales de átomos sin carga eléctrica. El supuesto:si el neutrón tuviera un momento dipolar eléctrico (abreviado nEDM) con un valor medible distinto de cero, esto podría deberse al mismo principio físico que también explicaría el exceso de materia después del Big Bang.

50, 000 mediciones

La búsqueda del nEDM puede expresarse en el lenguaje cotidiano como la cuestión de si el neutrón es o no una brújula eléctrica. Hace tiempo que está claro que el neutrón es una brújula magnética y reacciona a un campo magnético, o, en jerga técnica:tiene un momento dipolar magnético. Si además el neutrón también tuviera un momento dipolar eléctrico, su valor sería mucho menor y, por tanto, mucho más difícil de medir. Las mediciones anteriores de otros investigadores lo han confirmado. Por lo tanto, los investigadores de PSI tuvieron que hacer todo lo posible para mantener el campo magnético local muy constante durante su última medición. Cada camión que pasaba por la carretera junto a PSI perturbaba el campo magnético en una escala que era relevante para el experimento. por lo que este efecto tuvo que calcularse y eliminarse de los datos experimentales.

También, el número de neutrones observados tenía que ser lo suficientemente grande para brindar la oportunidad de medir el nEDM. Por lo tanto, las mediciones en PSI se realizaron durante un período de dos años. Los llamados neutrones ultrafríos, es decir, neutrones con una velocidad comparativamente lenta, se midieron. Cada 300 segundos, un paquete de ocho segundos de duración con más de 10, Se dirigieron y examinaron 000 neutrones al experimento. Los investigadores midieron un total de 50, 000 paquetes de este tipo.

"Incluso para PSI con sus grandes instalaciones de investigación, este fue un estudio bastante extenso, "dice Philipp Schmidt-Wellenburg, investigador del proyecto nEDM por parte de PSI. "Pero eso es exactamente lo que se necesita en estos días si buscamos una física más allá del Modelo Estándar".

Buscar "nueva física"

El nuevo resultado fue determinado por un grupo de investigadores de 18 institutos y universidades de Europa y EE. UU. entre ellos la ETH Zurich, la Universidad de Berna y la Universidad de Friburgo. Los datos se habían recopilado en la fuente de neutrones ultrafríos de PSI. Los investigadores habían recopilado datos de medición allí durante dos años, lo evaluó con mucho cuidado en dos equipos, ya través de eso obtuve un resultado más preciso que nunca.

El proyecto de investigación nEDM se enmarca en la búsqueda de una "nueva física" que vaya más allá del llamado Modelo Estándar. Esto también se busca en instalaciones aún más grandes, como el Gran Colisionador de Hadrones LHC en el CERN. "La investigación en el CERN es amplia y generalmente busca nuevas partículas y sus propiedades, "explica Schmidt-Wellenburg." Por otro lado, estamos profundizando, porque solo estamos mirando las propiedades de una partícula, el neutrón. A cambio, sin embargo, logramos una precisión en este detalle que el LHC solo podría alcanzar en 100 años ".

"Por último, "dice Georg Bison, quien, como Schmidt-Wellenburg, es investigador en el Laboratorio de Física de Partículas de PSI, "Varias mediciones en la escala cosmológica muestran desviaciones del Modelo Estándar. En contraste, nadie ha podido reproducir estos resultados en el laboratorio. Esta es una de las preguntas más importantes de la física moderna, y eso es lo que hace que nuestro trabajo sea tan emocionante ".

Se planifican mediciones aún más precisas

Con su último experimento, los investigadores han confirmado resultados de laboratorio anteriores. "Nuestro resultado actual también arrojó un valor para nEDM que es demasiado pequeño para medir con los instrumentos que se han utilizado hasta ahora; el valor es demasiado cercano a cero, ", dice Schmidt-Wellenburg." Por lo tanto, es menos probable que el neutrón ayude a explicar el exceso de materia. Pero todavía no se puede descartar por completo. Y en todo caso la ciencia está interesada en el valor exacto del nEDM con el fin de averiguar si se puede utilizar para descubrir nueva física ".

Por lo tanto, el siguiente, Ya se está planificando una medición más precisa. "Cuando pusimos en marcha la fuente actual de neutrones ultrafríos aquí en PSI en 2010, ya sabíamos que el resto del experimento no le haría justicia. Por lo tanto, actualmente estamos creando un experimento más grande "explica Bison. Los investigadores de PSI esperan comenzar la próxima serie de mediciones del nEDM para 2021 y, Sucesivamente, para superar al actual en cuanto a precisión.

"Hemos adquirido una gran experiencia en los últimos diez años y hemos podido utilizarla para optimizar continuamente nuestro experimento, tanto con respecto a nuestra fuente de neutrones como en general para la mejor evaluación posible de datos tan complejos en física de partículas". ", dice Schmidt-Wellenburg." La publicación actual ha establecido un nuevo estándar internacional ".