Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har mätt en egenskap hos neutronen mer exakt än någonsin tidigare. I processen upptäckte de att elementarpartikeln har ett betydligt mindre elektriskt dipolmoment än vad som tidigare antagits. Med det, det har också blivit mindre troligt att detta dipolmoment kan hjälpa till att förklara ursprunget till all materia i universum. Forskarna uppnådde detta resultat med hjälp av ultrakyld neutronkälla vid PSI. De rapporterar sina resultat i dag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Big Bang skapade både materien i universum och antimateria - åtminstone enligt den etablerade teorin. Eftersom de två ömsesidigt förintar varandra, dock, det måste ha funnits ett överskott av materia, som finns kvar till denna dag. Orsaken till detta överskott av materia är ett av fysikens och astronomins stora mysterier. Forskare hoppas kunna hitta en ledtråd till det underliggande fenomenet med hjälp av neutroner, atomernas elektriskt oladdade elementära byggstenar. Antagandet:Om neutronen hade ett så kallat elektriskt dipolmoment (förkortat nEDM) med ett mätbart icke-nollvärde, detta kan bero på samma fysiska princip som också skulle förklara överskottet av materia efter Big Bang.

50, 000 mätningar

Sökandet efter nEDM kan uttryckas i vardagsspråk som frågan om neutronen är en elektrisk kompass eller inte. Det har länge varit klart att neutronen är en magnetisk kompass och reagerar på ett magnetfält, eller, i teknisk jargong:har ett magnetiskt dipolmoment. Om neutronen dessutom hade ett elektriskt dipolmoment, dess värde skulle vara mycket mindre — och därmed mycket svårare att mäta. Tidigare mätningar av andra forskare har bekräftat detta. Därför, forskarna vid PSI var tvungna att gå långt för att hålla det lokala magnetfältet mycket konstant under sin senaste mätning. Varje lastbil som körde förbi på vägen bredvid PSI störde magnetfältet på en skala som var relevant för experimentet, så denna effekt måste beräknas och tas bort från experimentdata.

Också, antalet observerade neutroner måste vara tillräckligt stort för att ge en chans att mäta nEDM. Mätningarna vid PSI löpte därför över en period på två år. Så kallade ultrakalla neutroner, det är, neutroner med en relativt låg hastighet, mättes. Var 300:e sekund, ett åtta sekunder långt paket med över 10, 000 neutroner riktades till experimentet och undersöktes. Forskarna mätte totalt 50, 000 sådana buntar.

"Även för PSI med sina stora forskningsanläggningar, detta var en ganska omfattande studie, säger Philipp Schmidt-Wellenburg, en forskare på nEDM-projektet från PSI:s sida. "Men det är precis vad som behövs i dessa dagar om vi letar efter fysik bortom standardmodellen."

Sök efter "ny fysik"

Det nya resultatet fastställdes av en grupp forskare vid 18 institut och universitet i Europa och USA, bland dem ETH Zürich, universitetet i Bern och universitetet i Fribourg. Data hade samlats in vid PSI:s ultrakylda neutronkälla. Forskarna hade samlat in mätdata där under två år, utvärderade det mycket noggrant i två lag, och genom det erhållit ett mer exakt resultat än någonsin tidigare.

nEDM-forskningsprojektet är en del av sökandet efter "ny fysik" som skulle gå längre än den så kallade Standardmodellen. Detta eftersträvas även vid ännu större anläggningar som Large Hadron Collider LHC vid CERN. "Forskningen vid CERN är bred och söker i allmänhet efter nya partiklar och deras egenskaper, " förklarar Schmidt-Wellenburg. "Vi å andra sidan går djupt, eftersom vi bara tittar på egenskaperna hos en partikel, neutronen. I utbyte, dock, vi uppnår en noggrannhet i denna detalj som LHC kanske bara når om 100 år."

"I sista hand, "säger Georg Bison, som gillar Schmidt-Wellenburg är forskare vid Laboratory for Particle Physics vid PSI, "olika mätningar på den kosmologiska skalan visar avvikelser från standardmodellen. Däremot ingen har ännu kunnat återge dessa resultat i laboratoriet. Detta är en av de mycket stora frågorna inom modern fysik, och det är det som gör vårt arbete så spännande."

Ännu mer exakta mätningar är planerade

Med deras senaste experiment, forskarna har bekräftat tidigare laboratorieresultat. "Vårt nuvarande resultat gav alltför ett värde för nEDM som är för litet för att mäta med de instrument som har använts hittills - värdet är för nära noll, " säger Schmidt-Wellenburg. "Så det har blivit mindre troligt att neutronen kommer att hjälpa till att förklara överskottet av materia. Men det kan fortfarande inte helt uteslutas. Och i alla fall, vetenskapen är intresserad av det exakta värdet av nEDM för att ta reda på om det kan användas för att upptäcka ny fysik."

Därför, nästa, mer exakt mätning planeras redan. "När vi startade den nuvarande källan för ultrakylda neutroner här på PSI 2010, vi visste redan att resten av experimentet inte riktigt skulle göra det rättvisa. Så vi bygger för närvarande ett lämpligt större experiment, " förklarar Bison. PSI-forskarna förväntar sig att starta nästa serie mätningar av nEDM senast 2021 och, i tur och ordning, att överträffa den nuvarande vad gäller noggrannhet.

"Vi har fått stor erfarenhet under de senaste tio åren och har kunnat använda det för att kontinuerligt optimera vårt experiment - både när det gäller vår neutronkälla och i allmänhet för bästa möjliga utvärdering av så komplexa data inom partikelfysik, "säger Schmidt-Wellenburg." Den nuvarande publikationen har satt en ny internationell standard. "