Por que o universo observável praticamente não contém antimatéria? Partículas de antimatéria têm a mesma massa, mas carga elétrica oposta à de suas contrapartes de matéria. Quantidades muito pequenas de antimatéria podem ser criadas no laboratório. Contudo, dificilmente qualquer antimatéria é observada em outras partes do universo.

Os físicos acreditam que havia quantidades iguais de matéria e antimatéria no início da história do universo - então, como a antimatéria desapareceu? Um pesquisador da Michigan State University faz parte de uma equipe de pesquisadores que examina essas questões em um artigo publicado recentemente em Resenhas de Física Moderna .

Jaideep Taggart Singh, Professor assistente de física da MSU na Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, estuda átomos e moléculas embutidos em sólidos usando lasers. Singh tem um compromisso conjunto no Departamento de Física e Astronomia da MSU.

A resposta pode estar enraizada na natureza das forças entre as partículas subatômicas que não são as mesmas quando o tempo se inverte. Os físicos teorizam que essa violação da reversão do tempo é o ingrediente-chave necessário para desvendar o mistério cósmico da antimatéria perdida. Essas forças de violação de reversão de tempo resultam em uma propriedade nas partículas chamada momento de dipolo elétrico permanente (EDM). Por mais de 60 anos, físicos têm procurado por EDMs com precisão crescente, mas eles nunca os observaram. Contudo, teorias recentes da física de partículas prevêem EDMs mensuráveis. Isso levou a uma busca mundial por EDMs em sistemas como nêutrons, moléculas, e átomos.

As pesquisas de EDM freqüentemente envolvem relógios atômicos operando em um campo magnético controlado (uniforme no espaço e estável no tempo). Em um campo elétrico, um relógio atômico ultra-estável com um EDM diferente de zero funcionará um pouco mais rápido ou mais lento. O sucesso de tais experimentos depende de quão bem os físicos podem controlar o campo magnético circundante e outros fatores ambientais.

EDMs de átomos como rádio e mercúrio são principalmente devidos a forças originadas no meio nuclear. Os melhores limites para esses tipos de forças são atualmente derivados do átomo de mercúrio-199. Pesquisadores da Universidade de Washington, Seattle, descobriram que seu relógio de mercúrio-199 perde menos de um segundo a cada 400 séculos. Este experimento é impossível de ser aprimorado, a menos que se possa construir um relógio menos sensível aos fatores ambientais. Um experimento concorrente que visa fazer exatamente isso é a busca pelo EDM do rádio-225. É uma colaboração entre o Argonne National Laboratory, Michigan State University, e a Universidade de Ciência e Tecnologia da China.

O raro isótopo rádio-225 é uma alternativa atraente. Seu núcleo "em forma de pêra" (veja a figura) amplifica o EDM observável em ordens de magnitude em comparação com o núcleo quase esférico do mercúrio-199. Para realizar um experimento competitivo, um relógio de rádio-225 só precisa ser estável em menos de um segundo a cada dois anos. Isso é difícil, mas viável. A sensibilidade deste relógio de rádio é atualmente limitada apenas pelo pequeno número de átomos disponíveis (cerca de 0,000005 miligramas por dia). No futuro, usando núcleos ainda mais "em forma de pêra", como o raro isótopo protactínio-229, pode melhorar a sensibilidade dessas pesquisas EDM por outro fator de mil. Em outras palavras, um experimento competitivo com um relógio de protactínio só precisaria ser estável em menos de um segundo por dia.

"Nós, tudo o que vemos, e o resto do universo observável existe porque a antimatéria desapareceu durante o nascimento do universo, "Singh disse." Descobrindo uma nova fonte de violação da reversão do tempo, talvez usando núcleos raros em forma de pêra, iria começar a explicar como isso aconteceu. "

FRIB irá produzir uma abundância de núcleos em forma de pêra, como rádio-225 e, pela primeira vez, protactínio-229. Isso permitirá a busca por um EDM com sensibilidade sem precedentes para responder ao quebra-cabeça da antimatéria.

A MSU está estabelecendo o FRIB como uma nova instalação de usuário científico para o Office of Nuclear Physics no Departamento de Energia do Departamento de Ciência dos EUA. Em construção no campus e operado pela MSU, O FRIB permitirá que os cientistas façam descobertas sobre as propriedades de isótopos raros, a fim de compreender melhor a física dos núcleos, astrofísica nuclear, interações fundamentais, e aplicações para a sociedade, inclusive na medicina, segurança Interna, e indústria.