Antimateria e materia: perché l’universo non si è annichilito? Un passo avanti verso la comprensione del mistero della materia nell’universo.
Scienziati dell’Università del Sussex hanno misurato in maniera più precisa rispetto a quanto mai fatto in precedenza una specifica proprietà del neutrone permettendo così di fare un passo avanti verso la comprensione del mistero della materia nell’universo.
La loro ricerca fa parte di un’indagine sul perché nell’universo rimanga della materia, cioè perché l’antimateria creata nel Big Bang non abbia annichilito tutto, ma l’universo sia così come lo osserviamo.
Il team, che comprendeva il Rutherford Appleton Laboratory del Consiglio scientifico e tecnologico (STFC) nel Regno Unito, il Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera e un certo numero di altre istituzioni, ha esaminato se il neutrone agisse o meno come una “bussola elettrica”.
I neutroni, pur globalmente neutri, sono composti di particelle cariche e, quindi, devono al loro interno avere una distribuzione spaziale di carica misurabile.
I neutroni benché nel complesso siano elettricamente neutri, non sono senza carica ma hanno una distribuzione che è complessivamente neutra ma leggermente asimmetrica: sono presenti da lati opposte cariche positive e negative – un po’ come l’equivalente elettrico di un magnete a barra.
Questo proprietà è quella chiamata “momento di dipolo elettrico” (EDM) ed è ciò su cui il team di ricerca si è focalizzato.
La comprensione del momento di dipolo elettrico del neutrone è di cruciale importanza nelle teorie scientifiche sul perché la materia non si sia completamente annichilita.
Il team di fisici ha scoperto che il neutrone ha un EDM significativamente più piccolo di quanto precedentemente previsto: questa scoperta rende meno probabile la validità di precedenti teorie. In realtà nel corso degli anni le varie misure di EDM effettuate hanno, hanno probabilmente smentito più teorie di qualsiasi altro esperimento nella storia della fisica.”
Il professor Philip Harris, direttore della School of Mathematical and Physical Sciences e leader del gruppo EDM dell’Università del Sussex, ha dichiarato:
“Dopo oltre due decenni di lavoro, finalmente è emerso un risultato cruciale da un esperimento progettato per affrontare uno dei problemi più profondi della cosmologia negli ultimi cinquant’anni, vale a dire la questione del perché l’universo contenga molta più materia di antimateria e perché l’antimateria non abbia annichilito tutta la materia.”
Il professor Harris continua
La risposta a questa domanda si ricollega a un’asimmetria strutturale che dovrebbe apparire in particelle fondamentali come i neutroni. Questo è quello che stiamo cercando. Abbiamo scoperto che il ” momento di dipolo elettrico” è più piccolo di quanto si credesse in precedenza. Tale proprietà del neutrone è strettamente connessa alla domanda a cui cerchiamo di rispondere e cioè perché sia rimasta materia nell’universo e non si sia annichilita.
Questi ultimi esperimenti hanno stabilito un nuovo standard internazionale per la sensibilità di misura dell’EDM.
La misura è stata effettuata con un apparato sperimentale che è una versione aggiornata di quello originariamente progettato dagli stessi ricercatori dell’Università del Sussex e del Rutherford Appleton Laboratory (RAL) e che aveva già mantenuto il record di sensibilità mondiale ininterrottamente dal 1999 ad oggi.
Il dott. Maurits van der Grinten, del gruppo EDM del Rutherford Appleton Laboratory (RAL), ha dichiarato:
L’esperimento combina varie tecnologie all’avanguardia che devono essere eseguite simultaneamente. Siamo lieti che le attrezzature, la tecnologia e l’esperienza sviluppate dagli scienziati della RAL abbiano contribuito al lavoro per spingere ulteriormente in avanti la precisione di misura di questo importante parametro
L’esperimento riunisce diverse tecniche della fisica nucleare atomica a bassa energia, compresa la magnetometria ottica basata su laser e la manipolazione dello spin quantico.
Sono state effettuate ben 50.000 misure in 2 anni
Ogni momento di dipolo elettrico del neutrone è minuscolo ed è quindi estremamente difficile da misurare. In particolare, il team ha dovuto fare di tutto per mantenere il campo magnetico locale molto costante durante le misure. Ad esempio, ogni camion che passava lungo la strada accanto all’istituto disturbava il campo magnetico su una scala che sarebbe stata significativa per l’esperimento, quindi questo effetto doveva essere compensato durante la misurazione.
Inoltre, il numero di neutroni osservati doveva essere abbastanza grande da fornire la possibilità di misurare il momento del dipolo elettrico.
Sono stati necessari due anni per raccogliere i dati.
Sono stati misurati i cosiddetti neutroni ultrafreddi, cioè neutroni con una velocità relativamente lenta. Ogni 300 secondi, un gruppo di oltre 10.000 neutroni veniva indirizzato all’esperimento ed esaminato in dettaglio. I ricercatori hanno misurato un totale di 50.000 di questi gruppi.
Anche se l’esperimento rappresenta un notevole passo avanti nella comprensione dell’EDM rimangono ancora quesiti irrisolti e il prossimo esperimento che dovrebbe essere ancora più preciso è già in fase di costruzione presso il PSI in Svizzera.
La collaborazione con PSI prevede di iniziare la prossima serie di misurazioni entro il 2021.
Oltre il modello standard
Il progetto fa parte della ricerca di “nuova fisica” che andrebbe oltre il cosiddetto modello standard di fisica, che definisce le proprietà di tutte le particelle conosciute.
Gli obiettivi di questo tipo di esperimenti non solo sono rivolti alla comprensione più profonda della struttura della materia, ma lo studio di queste caratteristiche della natura porta anche allo sviluppo di tecniche utili per applicazioni di tipo tecnologico: ad esempio gli esperimenti di misura dell’EDM degli anni ’50 hanno portato poi alla scoperta della tecnologia per la produzione di orologi atomici e degli scanner per la risonanza magnetica.
La fisica delle particelle quindi ha un enorme e costante impatto, anche se a prima vista non sembrerebbe, anche nella vita quotidiana.
