Почему во вселенной вообще есть материя? Новое исследование проливает свет

Почему во вселенной вообще есть материя? Новое исследование проливает свет

Ученые из Университета Сассекса измерили свойство нейтрона – фундаментальной частицы во вселенной – более точно, чем когда-либо прежде. Их исследование является частью исследования того, почему во Вселенной осталась материя, то есть почему все антивещество, созданное в результате Большого взрыва, не просто уничтожило этот вопрос.

Команда, в состав которой входила Лаборатория Резерфорда Эпплтона из Совета по научно-техническому оборудованию (STFC) в Великобритании, Институт Пола Шеррера (PSI) в Швейцарии и ряд других учреждений, изучала, действует ли нейтрон как «электрический компас». Считается, что нейтроны имеют слегка асимметричную форму, слегка положительные на одном конце и слегка отрицательные на другом – немного похоже на электрический эквивалент стержневого магнита. Это так называемый «электрический дипольный момент» (EDM), и это то, что команда искала.

Это важная часть загадки в загадке, почему материя остается во Вселенной, потому что научные теории о том, почему осталась материя, также предсказывают, что нейтроны обладают свойством «электрического компаса» в большей или меньшей степени. Измерение этого затем помогает ученым приблизиться к истине о том, почему материя остается.

Команда физиков обнаружила, что нейтрон имеет значительно меньшую ЭДМ, чем предсказывали различные теории о том, почему материя остается во Вселенной; это снижает вероятность того, что эти теории будут правильными, поэтому они должны быть изменены или найдены новые теории. Фактически в литературе говорится, что за эти годы эти измерения ЭДМ, рассматриваемые как набор, вероятно, опровергли больше теорий, чем любой другой эксперимент в истории физики. Результаты сообщаются сегодня, в пятницу, 28 февраля 2020 года, в журнале Physical Review Letters .

Профессор Филип Харрис, руководитель Школы математических и физических наук и руководитель группы EDM в Университете Сассекса, сказал:

«После более чем двух десятилетий работы исследователей из Университета Сассекса и других стран, в результате эксперимента, предназначенного для решения одной из наиболее серьезных проблем в космологии за последние пятьдесят лет, был получен окончательный результат: вопрос о том, почему Вселенная содержит гораздо больше материи, чем антивещества, и, действительно, почему теперь она вообще содержит какую-либо материю. Почему антивещество не уничтожило всю материю? Почему осталась какая-то материя?

«Ответ связан со структурной асимметрией, которая должна появляться в фундаментальных частицах, таких как нейтроны. Это то, что мы искали. Мы обнаружили, что« электрический дипольный момент »меньше, чем считалось ранее. Это помогает нам исключить теории о том, почему осталась материя – потому что теории, управляющие двумя вещами, взаимосвязаны.

«Мы установили новый международный стандарт для чувствительности этого эксперимента. То, что мы ищем в нейтроне – асимметрия, которая показывает, что оно положительно на одном конце и отрицательно на другом, – невероятно мало. Наш эксперимент смог измерить это настолько подробно, что если бы асимметрия могла быть увеличена до размеров футбольного мяча, то футбольный мяч, увеличенный на ту же величину, заполнил бы видимую Вселенную ».

Эксперимент представляет собой модернизированную версию устройства, первоначально разработанного исследователями из Университета Сассекса и Лаборатории Резерфорда Эпплтона (RAL), и с 1999 года по настоящее время непрерывно держащего мировой рекорд по чувствительности.

Доктор Мауриц ван дер Гринтен из группы нейтронных ЭДМ в лаборатории Резерфорда Эпплтона (RAL) сказал:

«В эксперименте сочетаются различные современные технологии, которые все должны выполнять одновременно. Мы рады, что оборудование, технологии и опыт, разработанные учеными из RAL, внесли свой вклад в работу по расширению ограничений на этот важный параметр».

Доктор Кларк Гриффит, преподаватель физики из Школы математических и физических наук в Университете Сассекса, сказал:

«Этот эксперимент объединяет методы атомной и ядерной физики низких энергий, в том числе лазерную оптическую магнитометрию и квантово-спиновые манипуляции. Используя эти междисциплинарные инструменты для чрезвычайно точного измерения свойств нейтрона, мы можем исследовать важные вопросы физике частиц высоких энергий и фундаментальной природе симметрии, лежащей в основе Вселенной “.

50000 измерений

Любой электрический дипольный момент, который может иметь нейтрон, является крошечным, и поэтому его чрезвычайно трудно измерить. Предыдущие измерения других исследователей подтвердили это. В частности, команда должна была сделать все возможное, чтобы локальное магнитное поле оставалось постоянным во время последних измерений. Например, каждый грузовик, проезжавший по дороге рядом с институтом, нарушал магнитное поле в масштабе, который был бы значительным для эксперимента, поэтому этот эффект необходимо было компенсировать во время измерения.

Кроме того, число наблюдаемых нейтронов должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить возможность измерения электрического дипольного момента. Измерения проводились в течение двух лет. Были измерены так называемые ультрахолодные нейтроны, то есть нейтроны с относительно низкой скоростью. Каждые 300 секунд пучок из более чем 10000 нейтронов направлялся в эксперимент и детально исследовался. Исследователи измерили в общей сложности 50 000 таких групп.

Установлен новый международный стандарт

Последние результаты исследователей поддержали и улучшили результаты их предшественников: был установлен новый международный стандарт. Размер EDM все еще слишком мал, чтобы измерить его с помощью инструментов, которые использовались до сих пор, поэтому некоторые теории, которые пытались объяснить избыток вещества, стали менее вероятными. Поэтому загадка остается на время.

Следующее, более точное измерение уже разрабатывается в PSI. Коллегия PSI планирует начать следующую серию измерений к 2021 году.

Поиск “новая физика”

Новый результат был определен группой исследователей в 18 институтах и ​​университетах Европы и США на основе данных, собранных на ультрахолодном источнике нейтронов PSI. Исследователи собирали там данные измерений в течение двух лет, очень тщательно оценивали их в двух отдельных группах, а затем смогли получить более точный результат, чем когда-либо прежде.

Исследовательский проект является частью поиска «новой физики», которая выходит за рамки так называемой Стандартной модели физики, которая устанавливает свойства всех известных частиц. Это также является основной целью экспериментов на более крупных объектах, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРН.

Методы, первоначально разработанные для первого измерения EDM в 1950-х годах, привели к изменениям в мире, таким как атомные часы и МРТ-сканеры, и по сей день они сохраняют свое огромное и постоянное влияние в области физики элементарных частиц.


Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Сассекса . Оригинал написан Анной Форд. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. C. Abel et al. Измерение постоянного электрического дипольного момента нейтрона . Phys. Преподобный Летт. , DOI 2020: 10.1103 / PhysRevLett.124.081803