Cientistas da Universidade de Sussex mediram uma propriedade do nêutron - uma partícula fundamental do universo - com mais precisão do que nunca. A pesquisa deles faz parte de uma investigação sobre por que ainda há matéria no universo, isso é, por que toda a antimatéria criada no Big Bang não apenas cancelou o assunto.

A equipe, que incluía o Laboratório Rutherford Appleton do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC) no Reino Unido, o Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça, e uma série de outras instituições - estava investigando se o nêutron age ou não como uma "bússola elétrica". Acredita-se que os nêutrons tenham uma forma ligeiramente assimétrica, sendo ligeiramente positivo em uma extremidade e ligeiramente negativo na outra - um pouco como o equivalente elétrico de uma barra magnética. Este é o chamado "momento de dipolo elétrico" (EDM), e é o que a equipe estava procurando.

Esta é uma peça importante do quebra-cabeça no mistério de por que a matéria permanece no Universo, porque as teorias científicas sobre por que sobrou matéria também prevêem que os nêutrons têm a propriedade de "bússola elétrica", em maior ou menor grau. Medi-la ajuda os cientistas a se aproximarem da verdade sobre por que a matéria permanece.

A equipe de físicos descobriu que o nêutron tem um EDM significativamente menor do que o previsto por várias teorias sobre por que a matéria permanece no universo; isso torna essas teorias menos prováveis ​​de serem corretas, então eles têm que ser alterados, ou novas teorias encontradas. Na verdade, tem sido dito na literatura que ao longo dos anos, essas medições de EDM, considerado como um conjunto, provavelmente refutaram mais teorias do que qualquer outro experimento na história da física. Os resultados são relatados hoje, Sexta-feira, 28 de fevereiro de 2020, no jornal Cartas de revisão física .

Professor Philip Harris, Chefe da Escola de Ciências Matemáticas e Físicas e líder do grupo EDM da Universidade de Sussex, disse:

"Depois de mais de duas décadas de trabalho de pesquisadores da Universidade de Sussex e de outros lugares, um resultado final emergiu de um experimento projetado para resolver um dos problemas mais profundos da cosmologia nos últimos cinquenta anos:a saber, a questão de por que o Universo contém muito mais matéria do que antimatéria, e, na verdade, por que agora contém qualquer matéria. Por que a antimatéria não cancelou tudo? Por que sobrou algum assunto?

"A resposta está relacionada a uma assimetria estrutural que deveria aparecer em partículas fundamentais como nêutrons. Isso é o que estávamos procurando. Descobrimos que o" momento de dipolo elétrico "é menor do que se acreditava anteriormente. Isso nos ajuda a descartar teorias sobre por que sobrou matéria - porque as teorias que governam as duas coisas estão ligadas.

"Estabelecemos um novo padrão internacional para a sensibilidade deste experimento. O que estamos procurando no nêutron - a assimetria que mostra que ele é positivo em uma extremidade e negativo na outra - é incrivelmente minúsculo. Nosso experimento foi capaz para medir isso em detalhes que se a assimetria pudesse ser dimensionada para o tamanho de uma bola de futebol, então, uma bola de futebol com a mesma escala preencheria o Universo visível. "

O experimento é uma versão atualizada do aparelho originalmente projetado por pesquisadores da Universidade de Sussex e do Rutherford Appleton Laboratory (RAL), e que manteve o recorde mundial de sensibilidade continuamente de 1999 até agora.

Dr. Maurits van der Grinten, do grupo de EDM de nêutrons no Laboratório Rutherford Appleton (RAL), disse:"O experimento combina várias tecnologias de ponta que precisam funcionar simultaneamente. Estamos satisfeitos que o equipamento, tecnologia e experiência desenvolvida por cientistas da RAL contribuíram para o trabalho de empurrar o limite neste importante parâmetro "

Dr. Clark Griffith, Professor de Física da Escola de Ciências Matemáticas e Físicas da Universidade de Sussex, disse:

"Este experimento reúne técnicas da física atômica e nuclear de baixa energia, incluindo magnetometria óptica baseada em laser e manipulação de spin quântico. Ao usar essas ferramentas multidisciplinares para medir as propriedades do nêutron com extrema precisão, somos capazes de investigar questões relevantes para a física de partículas de alta energia e a natureza fundamental das simetrias subjacentes ao universo. "

50, 000 medições

Qualquer momento de dipolo elétrico que um nêutron possa ter é minúsculo, e por isso é extremamente difícil de medir. Medições anteriores de outros pesquisadores confirmaram isso. Em particular, a equipe teve que fazer um grande esforço para manter o campo magnético local muito constante durante a última medição. Por exemplo, cada caminhão que passava na estrada próxima ao instituto perturbava o campo magnético em uma escala que teria sido significativa para o experimento, então este efeito teve que ser compensado durante a medição.

Também, o número de nêutrons observados precisava ser grande o suficiente para fornecer uma chance de medir o momento de dipolo elétrico. As medições duraram dois anos. Os chamados nêutrons ultracold, isso é, nêutrons com uma velocidade comparativamente lenta, foram medidos. A cada 300 segundos, um monte de mais de 10, 000 nêutrons foram direcionados para o experimento e examinados em detalhes. Os pesquisadores mediram um total de 50, 000 desses cachos.

Um novo padrão internacional é definido

Os últimos resultados dos pesquisadores apoiaram e aprimoraram os de seus predecessores:um novo padrão internacional foi estabelecido. O tamanho do EDM ainda é muito pequeno para medir com os instrumentos que foram usados ​​até agora, portanto, algumas teorias que tentavam explicar o excesso de matéria tornaram-se menos prováveis. O mistério, portanto, permanece, por enquanto.

Nas próximas, mais preciso, medição já está sendo construída no PSI. A colaboração PSI espera iniciar sua próxima série de medições em 2021.

Pesquise por "nova física"

O novo resultado foi determinado por um grupo de pesquisadores em 18 institutos e universidades na Europa e nos EUA com base em dados coletados na fonte de nêutrons ultracold do PSI. Os pesquisadores coletaram dados de medição lá por um período de dois anos, avaliou-o com muito cuidado em duas equipes distintas, e foram então capazes de obter um resultado mais preciso do que nunca.

O projeto de pesquisa insere-se na busca por uma "nova física" que vá além do chamado Modelo Padrão da Física, que define as propriedades de todas as partículas conhecidas. Este também é um dos principais objetivos dos experimentos em instalações maiores, como o Large Hadron Collider (LHC) no CERN.

As técnicas originalmente desenvolvidas para a primeira medição EDM na década de 1950 levaram a desenvolvimentos que mudaram o mundo, como relógios atômicos e scanners de ressonância magnética, e até hoje mantém seu enorme e contínuo impacto no campo da física de partículas.