Per què hi ha matèria a l’Univers? Un nou estudi busca respostes

Els científics fan un pas més per comprendre el misteri de la matèria a l’Univers.

Científics de la Universitat de Sussex han mesurat una propietat del neutró, una partícula fonamental a l’univers, amb més precisió que mai. Les seves investigacions formen part d’un estudi sobre per què hi ha matèria a l’univers, és a dir, per què tota l’antimatèria creada al Big Bang no va acabar anul·lant la matèria.

L’equip (amb científics del laboratori Rutherford Appleton del Consell de Ciència i Tecnologia del Consell (STFC) del Regne Unit, de l’Institut Paul Scherrer (PSI) de Suïssa i d’altres institucions) va centrar el seu estudi en determinar si el neutró actua o no com una “brúixola elèctrica”. Es creu que els neutrons tenen una forma lleugerament asimètrica, lleugerament positius en un extrem i lleugerament negatius a l’altre, una mica com l’equivalent elèctric d’un imant de barra. Aquest és l’anomenat “moment dipolar elèctric” (EDM), objecte d’aquesta investigació.

Aquesta és una peça important del trencaclosques en el misteri de per què queda matèria a l’Univers, atès que les teories científiques sobre el perquè hi ha matèria també prediuen que els neutrons tenen la propietat de la “brúixola elèctrica”, en major o menor mesura. Conèixer aquesta mesura ajuda els científics a apropar-se a la veritat sobre el perquè ha quedat matèria a l’Univers.

L’equip de físics va trobar que el neutró té un moment dipolar elèctric significativament més petit que el previst per diverses teories sobre per què hi ha matèria; això fa que aquestes teories tinguin menys probabilitats de ser correctes, per la qual cosa s’han de modificar o se n’ha de buscar de noves. De fet, en la literatura científica es diu que, al llarg dels anys, aquestes mesures del moment dipolar elèctric, considerades en conjunt, probablement han rebutjat més teories que qualsevol altre experiment en la història de la física. Els nous resultats s’han publicat el febrer de 2020, a la revista  Physical  Review  Letters.

Les grans preguntes

El professor Philip Harris, cap de l’Escola de Ciències Matemàtiques i Físiques i líder del grup d’estudis sobre el moment dipolar elèctric de la Universitat de Sussex, exposa:

“Després de més de dues dècades de treballs realitzats per investigadors a la Universitat de Sussex i altres llocs, el resultat final ha sorgit d’un experiment dissenyat per abordar un dels problemes més profunds de la cosmologia dels darrers cinquanta anys: és a dir, la pregunta de per què l’Univers conté molta més matèria que antimatèria i, de fet, per què ara conté qualsevol cosa. Per què l’antimatèria no va cancel·lar tota la matèria? Per què hi ha matèria?

“La resposta està relacionada amb una asimetria estructural que hauria d’aparèixer en partícules fonamentals com els neutrons. Això és el que hem estat buscant. Hem descobert que el “moment del dipol elèctric” és més petit del que es creia abans. Això ens ajuda a descartar algunes teories sobre per què queda matèria, perquè les teories sobre les dues coses estan relacionades.”

“Hem establert un nou estàndard internacional per a la sensibilitat d’aquest experiment. El que busquem en el neutró, l’asimetria que demostra que és positiu en un extrem i negatiu en l’altre, és increïblement petita. El nostre experiment va poder mesurar-ho amb tant de detall que si l’asimetria la posem a l’escala d’un camp de futbol, aleshores el camp de futbol ompliria l’univers visible.”

L’experiment és una versió actualitzada d’aparells dissenyats originalment per investigadors de la Universitat de Sussex i del Laboratori de Rutherford Appleton (RAL), i que han mantingut el rècord mundial de sensibilitat des del 1999 fins ara.

El doctor Clark Griffith, professor de física de l’Escola de Ciències Matemàtiques i Físiques de la Universitat de Sussex, puntualitza que “aquest experiment reuneix tècniques de física atòmica i de baixa energia, incloent-hi la magnetometria òptica basada en làser i la manipulació de l’espín quàntic. En utilitzar aquestes eines multidisciplinàries per mesurar les propietats del neutró de manera extremadament precisa, podem afrontar qüestions molt rellevants en la física de partícules d’alta energia i en la naturalesa fonamental de les simetries subjacents a l’univers.”

50.000 mesures

Qualsevol moment dipolar elèctric que pugui tenir un neutró és minúscul, de manera que és extremadament difícil de mesurar. Per exemple, els camions que circulaven per la carretera prop de l’institut pertorbaven el camp magnètic en una escala que hauria estat significativa per a l’experiment, per la qual cosa s’havia de compensar aquest efecte durant la mesura.

A més, el nombre de neutrons observats havia de ser prou gran per a tenir la possibilitat de mesurar el moment del dipol elèctric. Les mesures es van allargar durant dos anys. Es van mesurar els anomenats neutrons ultra freds, és a dir, neutrons amb una velocitat relativament lenta. Cada 300 segons, s’examinaven en detall un grup de més de 10.000 neutrons. Es van mesurar un total de 50.000 grups d’aquest tipus.

S’estableix un nou estàndard internacional

Els darrers resultats dels investigadors van confirmar i millorar els dels seus predecessors: s’ha establert un nou estàndard internacional. Però la mida del moment dipolar elèctric és encara massa petita per a mesurar-la amb els instruments dels que es disposa ara. Per tant, de moment, el misteri continua.

El proper experiment per obtenir una mesura encara més precisa ja s’està preparant a l’Institut Paul Scherrer, que preveu iniciar la seva propera sèrie de proves cap al 2021.

A la cerca de la “nova física”

El nou resultat va ser determinat per un grup d’investigadors de 18 instituts i universitats d’Europa i els Estats Units a partir de les dades recollides a l’Institut Paul Scherrer. Els investigadors van recollir les dades durant un període de dos anys, les van avaluar amb molta cura en dos equips separats i van poder obtenir un resultat més precís que mai.

El projecte forma part de la recerca d’una “nova física” que podria anar més enllà de l’anomenat Model Estàndard de la Física, que exposa les propietats de totes les partícules conegudes. Aquest és també un objectiu important dels experiments a instal·lacions més grans com el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) al CERN.

Les tècniques desenvolupades inicialment per a la primera mesura del moment dipolar elèctric a la dècada de 1950 van provocar avenços com rellotges atòmics i escàners d’imatge per ressonància magnètica (IRM) que, encara avui dia, son fonamentals en el camp de la física de partícules.

(Crèdits/Font: Anna Ford / University of Sussex / sciencedaily.com)