Forskare vid University of Sussex har mätt en egenskap hos neutronen - en fundamental partikel i universum - mer exakt än någonsin tidigare. Deras forskning är en del av en undersökning av varför det finns materia kvar i universum, det är, varför all antimateria som skapades i Big Bang inte bara upphävde saken.

Teamet – som inkluderade Science and Technology Facilities Council (STFC) Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, och ett antal andra institutioner – undersökte om neutronen fungerar som en "elektrisk kompass" eller inte. Neutroner tros vara något asymmetriska till formen, vara något positiv i ena änden och något negativ i den andra - lite som den elektriska motsvarigheten till en stavmagnet. Detta är det så kallade "elektriska dipolmomentet" (EDM), och det är vad laget letade efter.

Detta är en viktig pusselbit i mysteriet om varför materia finns kvar i universum, eftersom vetenskapliga teorier om varför det finns materia över också förutspår att neutroner har egenskapen "elektrisk kompass", i större eller mindre utsträckning. Genom att mäta det sedan hjälper det forskare att komma närmare sanningen om varför materia finns kvar.

Teamet av fysiker fann att neutronen har en betydligt mindre EDM än vad som förutspåtts av olika teorier om varför materia finns kvar i universum; detta gör att dessa teorier mindre sannolikt är korrekta, så de måste ändras, eller nya teorier hittade. Det har faktiskt sagts i litteraturen att under åren, dessa EDM-mått, betraktas som en uppsättning, har förmodligen motbevisat fler teorier än något annat experiment i fysikens historia. Resultaten rapporteras idag, Fredagen den 28 februari 2020, i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Professor Philip Harris, Chef för School of Mathematical and Physical Sciences och ledare för EDM-gruppen vid University of Sussex, sa:

"Efter mer än två decenniers arbete av forskare vid University of Sussex och på andra håll, ett slutresultat har framkommit från ett experiment utformat för att ta itu med ett av de djupaste problemen inom kosmologi under de senaste femtio åren:nämligen, frågan om varför universum innehåller så mycket mer materia än antimateria, och, verkligen, varför den nu innehåller någonting alls. Varför upphävde inte antimaterien all ärende? Varför finns det någon fråga kvar?

"Svaret hänför sig till en strukturell asymmetri som borde förekomma i fundamentala partiklar som neutroner. Det här är vad vi har letat efter. Vi har funnit att det "elektriska dipolmomentet" är mindre än vi tidigare trott. Detta hjälper oss att utesluta teorier om varför det finns materia över – eftersom teorierna som styr de två sakerna är sammanlänkade.

"Vi har satt en ny internationell standard för det här experimentets känslighet. Det vi letar efter i neutronen – asymmetrin som visar att den är positiv i ena änden och negativ i den andra – är otroligt liten. Vårt experiment kunde att mäta detta så detaljerat att om asymmetrin kunde skalas upp till storleken på en fotboll, då skulle en fotboll skalad upp med samma mängd fylla det synliga universum."

Experimentet är en uppgraderad version av apparater som ursprungligen designades av forskare vid University of Sussex och Rutherford Appleton Laboratory (RAL), och som har haft världsrekordet i känslighet kontinuerligt från 1999 till nu.

Dr Maurits van der Grinten, från neutron EDM-gruppen vid Rutherford Appleton Laboratory (RAL), sa:"Experimentet kombinerar olika toppmoderna teknologier som alla måste fungera samtidigt. Vi är glada att utrustningen, teknik och expertis utvecklad av forskare från RAL har bidragit till arbetet med att tänja på gränsen för denna viktiga parameter"

Dr Clark Griffith, Lektor i fysik från School of Mathematical and Physical Sciences vid University of Sussex, sa:

"Detta experiment sammanför tekniker från atom- och lågenergikärnfysik, inklusive laserbaserad optisk magnetometri och quantum-spin-manipulation. Genom att använda dessa multidisciplinära verktyg för att mäta neutronens egenskaper extremt exakt, vi kan undersöka frågor som är relevanta för högenergipartikelfysik och den grundläggande karaktären hos de symmetrier som ligger bakom universum. "

50, 000 mått

Varje elektriskt dipolmoment som en neutron kan ha är litet, och är därför extremt svår att mäta. Tidigare mätningar av andra forskare har bekräftat detta. Särskilt, teamet var tvungen att gå långt för att hålla det lokala magnetfältet mycket konstant under sin senaste mätning. Till exempel, varje lastbil som körde förbi på vägen bredvid institutet störde magnetfältet i en skala som skulle ha haft betydelse för experimentet, så denna effekt måste kompenseras för under mätningen.

Också, antalet observerade neutroner behövde vara tillräckligt stort för att ge en chans att mäta det elektriska dipolmomentet. Mätningarna löpte över en period på två år. Så kallade ultrakalla neutroner, det är, neutroner med en relativt låg hastighet, mättes. Var 300:e sekund, ett gäng på mer än 10, 000 neutroner riktades till experimentet och undersöktes i detalj. Forskarna mätte totalt 50, 000 sådana gäng.

En ny internationell standard är satt

Forskarnas senaste resultat stödde och förbättrade de från sina föregångare:en ny internationell standard har satts. Storleken på EDM är fortfarande för liten för att mäta med de instrument som har använts hittills, så vissa teorier som försökte förklara överskottet av materia har blivit mindre sannolika. Mysteriet kvarstår därför, för närvarande.

Nästa, mer precist, mätning byggs redan på PSI. PSI-samarbetet räknar med att starta sin nästa serie mätningar till 2021.

Sök efter "ny fysik"

Det nya resultatet fastställdes av en grupp forskare vid 18 institut och universitet i Europa och USA på grundval av data som samlats in vid PSI:s ultrakalla neutronkälla. Forskarna samlade in mätdata där under en period av två år, utvärderade det mycket noga i två separata team, och kunde då få ett mer exakt resultat än någonsin tidigare.

Forskningsprojektet är en del av sökandet efter "ny fysik" som skulle gå utöver den så kallade standardmodellen för fysik, som anger egenskaperna hos alla kända partiklar. Detta är också ett viktigt mål för experiment vid större anläggningar som Large Hadron Collider (LHC) vid CERN.

Teknikerna som ursprungligen utvecklades för den första EDM-mätningen på 1950-talet ledde till världsförändrande utveckling som atomur och MRI-skannrar, och till denna dag behåller den sin enorma och pågående inverkan inom partikelfysikområdet.