¿Por qué hay algo en el universo? Nuevo estudio arroja luz

Los científicos de la Universidad de Sussex han medido una propiedad del neutrón, una partícula fundamental en el universo, con más precisión que nunca. Su investigación es parte de una investigación sobre por qué queda materia en el universo, es decir, por qué toda la antimateria creada en el Big Bang no solo canceló el asunto.
El equipo, que incluía el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC) en el Reino Unido, el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza y varias otras instituciones, estaba investigando si el neutrón actúa o no. una "brújula eléctrica". Se cree que los neutrones tienen una forma ligeramente asimétrica, ligeramente positiva en un extremo y ligeramente negativa en el otro, un poco como el equivalente eléctrico de un imán de barra. Este es el llamado "momento dipolar eléctrico" (EDM), y es lo que el equipo estaba buscando.
Esta es una pieza importante del rompecabezas en el misterio de por qué la materia permanece en el Universo, porque las teorías científicas sobre por qué queda materia también predicen que los neutrones tienen la propiedad de "brújula eléctrica", en mayor o menor medida. Medirlo entonces ayuda a los científicos a acercarse a la verdad sobre por qué la materia permanece.
El equipo de físicos descubrió que el neutrón tiene un EDM significativamente más pequeño que lo predicho por varias teorías sobre por qué la materia permanece en el universo; Esto hace que estas teorías sean menos propensas a ser correctas, por lo que deben modificarse o encontrar nuevas teorías. De hecho, se ha dicho en la literatura que a lo largo de los años, estas mediciones de EDM, consideradas como un conjunto, probablemente han refutado más teorías que cualquier otro experimento en la historia de la física. Los resultados se informan hoy, viernes 28 de febrero de 2020, en la revista Physical Review Letters.
El profesor Philip Harris, jefe de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas y líder del grupo EDM de la Universidad de Sussex, dijo:
"Después de más de dos décadas de trabajo de investigadores de la Universidad de Sussex y de otros lugares, ha surgido un resultado final de un experimento diseñado para abordar uno de los problemas más profundos en cosmología durante los últimos cincuenta años: la pregunta de por qué El universo contiene mucha más materia que la antimateria y, de hecho, por qué ahora contiene cualquier materia. ¿Por qué la antimateria no canceló toda la materia? ¿Por qué queda algo?

"La respuesta se relaciona con una asimetría estructural que debería aparecer en partículas fundamentales como los neutrones. Esto es lo que hemos estado buscando. Hemos encontrado que el" momento dipolar eléctrico "es más pequeño de lo que se creía anteriormente. Esto nos ayuda a descartar teorías sobre por qué queda materia, porque las teorías que rigen las dos cosas están vinculadas.
"Hemos establecido un nuevo estándar internacional para la sensibilidad de este experimento. Lo que estamos buscando en el neutrón, la asimetría que muestra que es positivo en un extremo y negativo en el otro, es increíblemente pequeño. Nuestro experimento fue capaz de medir esto con tanto detalle que si la asimetría pudiera ampliarse al tamaño de una pelota de fútbol, ​​entonces una pelota de fútbol aumentada en la misma cantidad llenaría el Universo visible ".
El experimento es una versión mejorada del aparato diseñado originalmente por investigadores de la Universidad de Sussex y el Laboratorio Rutherford Appleton (RAL), y que ha mantenido el récord mundial de sensibilidad continuamente desde 1999 hasta ahora.
El Dr. Maurits van der Grinten, del grupo de neutrones EDM en el Laboratorio Rutherford Appleton (RAL), dijo:
"El experimento combina varias tecnologías de vanguardia que todos necesitan realizar simultáneamente. Nos complace que el equipo, la tecnología y la experiencia desarrollada por científicos de RAL hayan contribuido al trabajo para superar el límite de este importante parámetro".
El Dr. Clark Griffith, profesor de Física de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Sussex, dijo:

"Este experimento reúne técnicas de física nuclear atómica y de baja energía, incluida la magnetometría óptica basada en láser y la manipulación de espín cuántico. Al usar estas herramientas multidisciplinarias para medir las propiedades del neutrón con extrema precisión, podemos sondear preguntas relevantes a la física de partículas de alta energía y la naturaleza fundamental de las simetrías subyacentes al universo ".
50,000 mediciones
Cualquier momento dipolar eléctrico que pueda tener un neutrón es pequeño, por lo que es extremadamente difícil de medir. Mediciones anteriores de otros investigadores han confirmado esto. En particular, el equipo tuvo que hacer grandes esfuerzos para mantener el campo magnético local muy constante durante su última medición. Por ejemplo, cada camión que circulaba por la carretera al lado del instituto perturbó el campo magnético en una escala que habría sido significativa para el experimento, por lo que este efecto tuvo que compensarse durante la medición.
Además, la cantidad de neutrones observados debía ser lo suficientemente grande como para proporcionar la oportunidad de medir el momento dipolar eléctrico. Las mediciones se realizaron durante un período de dos años. Se midieron los llamados neutrones ultrafríos, es decir, neutrones con una velocidad relativamente lenta. Cada 300 segundos, un grupo de más de 10,000 neutrones fue dirigido al experimento y examinado en detalle. Los investigadores midieron un total de 50,000 racimos de este tipo.
Se establece un nuevo estándar internacional
Los últimos resultados de los investigadores respaldaron y mejoraron los de sus predecesores: se ha establecido un nuevo estándar internacional. El tamaño del EDM todavía es demasiado pequeño para medirlo con los instrumentos que se han utilizado hasta ahora, por lo que algunas teorías que intentaron explicar el exceso de materia se han vuelto menos probables. El misterio por lo tanto permanece, por el momento.
La siguiente medición, más precisa, ya se está construyendo en PSI. La colaboración de PSI espera comenzar su próxima serie de mediciones para 2022.
Búsqueda de "nueva física"
El nuevo resultado fue determinado por un grupo de investigadores en 18 institutos y universidades en Europa y los EE. UU. En base a los datos recopilados en la fuente de neutrones ultrafríos de PSI. Los investigadores recolectaron datos de medición allí durante un período de dos años, los evaluaron con mucho cuidado en dos equipos separados, y luego pudieron obtener un resultado más preciso que nunca.
El proyecto de investigación es parte de la búsqueda de "nueva física" que iría más allá del llamado Modelo Estándar de Física, que establece las propiedades de todas las partículas conocidas. Este es también un objetivo principal de los experimentos en instalaciones más grandes como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN.
Las técnicas desarrolladas originalmente para la primera medición de EDM en la década de 1950 condujeron a desarrollos que cambiaron el mundo, como los relojes atómicos y los escáneres de resonancia magnética, y hasta el día de hoy conserva su enorme y continuo impacto en el campo de la física de partículas.