Varför innehåller det observerbara universum praktiskt taget ingen antimateria? Partiklar av antimateria har samma massa men motsatt elektrisk laddning för sina materia -motsvarigheter. Mycket små mängder antimateria kan skapas i laboratoriet. Dock, knappast någon antimateria observeras någon annanstans i universum.

Fysiker tror att det fanns lika mycket materia och antimateria i universums tidiga historia - så hur försvann antimaterialet? En forskare vid Michigan State University är en del av ett team av forskare som undersöker dessa frågor i en artikel som nyligen publicerades i Recensioner av modern fysik .

Jaideep Taggart Singh, MSU biträdande professor i fysik vid Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB, studerar atomer och molekyler inbäddade i fasta ämnen med hjälp av lasrar. Singh har en gemensam anställning på MSU:s institution för fysik och astronomi.

Svaret kan vara förankrat i naturen hos krafter mellan subatomära partiklar som inte är desamma när tiden är omvänd. Fysiker teoretiserar att denna tidsomvändningsöverträdelse är den viktigaste ingrediensen som behövs för att upptäcka det kosmiska mysteriet om det saknade antimaterialet. Sådana tidsreverserande krafter resulterar i en egenskap hos partiklar som kallas ett permanent elektriskt dipolmoment (EDM). I över 60 år har fysiker har sökt efter EDM med ökande precision, men de har aldrig observerat dem. Dock, nya teorier om partikelfysik förutsäger mätbara EDM. Detta har lett till en global sökning efter EDM i system som neutroner, molekyler, och atomer.

EDM -sökningar involverar ofta atomur som arbetar i ett kontrollerat magnetfält (enhetligt i rymden och stabilt i tid). I ett elektriskt fält, en ultrastabil atomklocka med en noll-EDM kommer att gå något snabbare eller långsammare. Framgången för sådana experiment beror på hur väl fysiker kan kontrollera det omgivande magnetfältet och andra miljöfaktorer.

EDM för atomer som radium och kvicksilver beror främst på krafter som har sitt ursprung i kärnmediet. De bästa gränserna för dessa typer av krafter härrör för närvarande från kvicksilver-199-atomen. Forskare vid University of Washington, Seattle, har funnit att deras kvicksilver-199-klocka förlorar mindre än en sekund var 400:e sekel. Detta experiment är omöjligt att förbättra om man inte kan bygga en klocka som är mindre känslig för miljöfaktorer. Ett konkurrerande experiment som försöker göra just det är sökandet efter EDM för radium-225. Det är ett samarbete mellan Argonne National Laboratory, Michigan State University, och University of Science and Technology of China.

Den sällsynta isotopen radium-225 är ett attraktivt alternativ. Dess "päronformade" kärna (se figur) förstärker den observerbara EDM med storleksordningar jämfört med den nästan sfäriska kärnan av kvicksilver-199. För att utföra ett konkurrenskraftigt experiment, en radium-225-klocka behöver bara vara stabil till mindre än en sekund vartannat år. Detta är svårt men genomförbart. Känsligheten hos denna radiumklocka begränsas för närvarande endast av det lilla antalet tillgängliga atomer (cirka 0,000005 milligram per dag). I framtiden, använder en ännu mer "päronformad" kärna, såsom den sällsynta isotopen protactinium-229, kan förbättra känsligheten för dessa EDM-sökningar med ytterligare en faktor på tusen. Med andra ord, ett konkurrenskraftigt experiment med en protactiniumklocka behöver bara vara stabil till mindre än en sekund varje dag.

"Vi, allt vi ser, och resten av det observerbara universum existerar eftersom antimaterialet försvann under universums födelse, "Singh sa." Upptäck en ny källa till kränkning av tidsomvändning, kanske med sällsynta päronformade kärnor, skulle börja förklara hur detta hände. "

FRIB kommer att producera ett överflöd av päronformade kärnor som radium-225 och, för första gången, protactinium-229. Detta kommer att möjliggöra en sökning efter en EDM med oöverträffad känslighet för att svara på antimateriapusslet.

MSU etablerar FRIB som en ny vetenskaplig användaranläggning för Office of Nuclear Physics i U.S. Department of Energy Office of Science. Under uppbyggnad på campus och drivs av MSU, FRIB kommer att göra det möjligt för forskare att göra upptäckter om egenskaperna hos sällsynta isotoper för att bättre förstå kärnornas fysik, nukleär astrofysik, grundläggande interaktioner, och ansökningar för samhället, inklusive inom medicin, hembygdsskydd, och industri.