Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI mediram uma propriedade do nêutron com mais precisão do que nunca. No processo, eles descobriram que a partícula elementar tem um momento de dipolo elétrico significativamente menor do que o assumido anteriormente. Com isso, também se tornou menos provável que esse momento de dipolo possa ajudar a explicar a origem de toda a matéria no universo. Os pesquisadores alcançaram esse resultado usando a fonte de nêutrons ultracold no PSI. Eles relatam seus resultados hoje no jornal Cartas de revisão física .

O Big Bang criou tanto a matéria no universo quanto a antimatéria - pelo menos de acordo com a teoria estabelecida. Uma vez que os dois se aniquilam mutuamente, Contudo, deve ter havido um excedente de matéria, que permanece até hoje. A causa desse excesso de matéria é um dos grandes mistérios da física e da astronomia. Os pesquisadores esperam encontrar uma pista para o fenômeno subjacente com a ajuda de nêutrons, os blocos de construção elementares eletricamente descarregados de átomos. A suposição:Se o nêutron tivesse um chamado momento de dipolo elétrico (abreviado como nEDM) com um valor não zero mensurável, isso poderia ser devido ao mesmo princípio físico que também explicaria o excesso de matéria após o Big Bang.

50, 000 medições

A busca pelo nEDM pode ser expressa na linguagem cotidiana como a questão de se o nêutron é ou não uma bússola elétrica. Há muito tempo está claro que o nêutron é uma bússola magnética e reage a um campo magnético, ou, no jargão técnico:tem um momento de dipolo magnético. Se, além disso, o nêutron também tivesse um momento de dipolo elétrico, seu valor seria muito menor - e, portanto, muito mais difícil de medir. Medições anteriores de outros pesquisadores confirmaram isso. Portanto, os pesquisadores do PSI tiveram que fazer um grande esforço para manter o campo magnético local muito constante durante sua última medição. Cada caminhão que passava na estrada próximo ao PSI perturbava o campo magnético em uma escala que era relevante para o experimento, então esse efeito teve que ser calculado e removido dos dados experimentais.

Também, o número de nêutrons observados precisava ser grande o suficiente para fornecer uma chance de medir o nEDM. As medições no PSI, portanto, duraram um período de dois anos. Os chamados nêutrons ultracold, isso é, nêutrons com uma velocidade comparativamente lenta, foram medidos. A cada 300 segundos, um pacote de oito segundos com mais de 10, 000 nêutrons foram direcionados para o experimento e examinados. Os pesquisadores mediram um total de 50, 000 desses pacotes.

"Mesmo para a PSI com suas grandes instalações de pesquisa, este foi um estudo bastante extenso, "diz Philipp Schmidt-Wellenburg, pesquisador do projeto nEDM do PSI. "Mas isso é exatamente o que é necessário hoje em dia, se estamos procurando física além do Modelo Padrão."

Pesquise por "nova física"

O novo resultado foi determinado por um grupo de pesquisadores de 18 institutos e universidades da Europa e dos EUA, entre eles o ETH Zurique, a Universidade de Berna e a Universidade de Friburgo. Os dados foram coletados na fonte de nêutrons ultracold do PSI. Os pesquisadores coletaram dados de medição lá ao longo de dois anos, avaliou-o com muito cuidado em duas equipes, e através disso obteve um resultado mais preciso do que nunca.

O projeto de pesquisa do nEDM faz parte da busca por uma "nova física" que vá além do chamado Modelo Padrão. Isso também está sendo procurado em instalações ainda maiores, como o Large Hadron Collider LHC no CERN. "A pesquisa no CERN é ampla e geralmente busca por novas partículas e suas propriedades, "explica Schmidt-Wellenburg." Por outro lado, estamos indo fundo, porque estamos apenas olhando para as propriedades de uma partícula, o nêutron. Em troca, Contudo, alcançamos uma precisão neste detalhe que o LHC só pode atingir em 100 anos. "

"Em última análise, "diz Georg Bison, que gosta de Schmidt-Wellenburg é pesquisador do Laboratório de Física de Partículas do PSI, "várias medições na escala cosmológica mostram desvios do modelo padrão. Em contraste, ninguém ainda foi capaz de reproduzir esses resultados em laboratório. Esta é uma das grandes questões da física moderna, e é isso que torna o nosso trabalho tão emocionante. "

Medições ainda mais precisas são planejadas

Com seu último experimento, os pesquisadores confirmaram resultados laboratoriais anteriores. "Nosso resultado atual também rendeu um valor para nEDM que é muito pequeno para medir com os instrumentos que foram usados ​​até agora - o valor é muito próximo de zero, "diz Schmidt-Wellenburg." Portanto, é menos provável que o nêutron ajude a explicar o excesso de matéria. Mas ainda não pode ser completamente descartado. E em qualquer caso, a ciência está interessada no valor exato do nEDM para descobrir se ele pode ser usado para descobrir novas físicas. "

Portanto, nas próximas, medições mais precisas já estão sendo planejadas. "Quando iniciamos a fonte atual de nêutrons ultracold aqui no PSI em 2010, já sabíamos que o resto do experimento não faria justiça. Portanto, estamos atualmente construindo um experimento apropriadamente maior, "explica Bison. Os pesquisadores PSI esperam iniciar a próxima série de medições do nEDM em 2021 e, por sua vez, para superar o atual em termos de precisão.

"Ganhamos muita experiência nos últimos dez anos e fomos capazes de usá-la para otimizar continuamente nosso experimento - tanto em relação à nossa fonte de nêutrons, quanto em geral para a melhor avaliação possível de tais dados complexos em física de partículas, "diz Schmidt-Wellenburg." A publicação atual estabeleceu um novo padrão internacional. "