Ett element som kan hålla nyckeln till det långvariga mysteriet kring varför det finns mycket mer materia än antimateria i vårt universum har upptäckts av ett team av fysiker som leds av University of the West of Scotland (UWS).

Akademiker från UWS och University of Strathclyde har upptäckt, i forskning publicerad i tidskriften Naturfysik , att en av isotoperna av grundämnet torium har den mest päronformade kärnan som ännu inte upptäckts. Kärnor som liknar torium-228 kanske nu kan användas för att utföra nya tester för att försöka hitta svaret på mysteriet kring materia och antimateria.

UWS Dr. David O'Donnell, som ledde projektet, sa:"Vår forskning visar att, med bra idéer, världsledande kärnfysikexperiment kan utföras i universitetslaboratorier.

"Detta arbete kompletterar de experiment som kärnfysiker vid UWS leder vid stora experimentanläggningar runt om i världen. Att kunna utföra experiment som detta ger utmärkt träning för våra elever."

Fysiken förklarar att universum är sammansatt av fundamentala partiklar som elektronerna som finns i varje atom. Standardmodellen, den bästa teorin som fysiker har för att beskriva de subatomära egenskaperna hos all materia i universum, förutspår att varje fundamental partikel kan ha en liknande antipartikel. Tillsammans antipartiklarna, som är nästan identiska med sina materiemotsvarigheter förutom att de har motsatt laddning, kallas antimateria.

Enligt standardmodellen, materia och antimateria borde ha skapats i lika stora mängder vid tiden för Big Bang - ändå består vårt universum nästan helt av materia.

I teorin, ett elektriskt dipolmoment (EDM) kan tillåta materia och antimateria att sönderfalla i olika hastigheter, ger en förklaring till asymmetrin i materia och antimateria i vårt universum.

Päronformade kärnor har föreslagits som idealiska fysikaliska system för att leta efter förekomsten av en EDM i en fundamental partikel såsom en elektron. Päronformen innebär att kärnan genererar en EDM genom att protonerna och neutronerna fördelas ojämnt över hela kärnvolymen.

Genom experiment utförda i laboratorier på UWS Paisley Campus, forskare har funnit att kärnorna i torium-228-atomer har den mest uttalade päronformen som hittills har upptäckts. Som ett resultat, kärnor som torium-228 har identifierats som idealiska kandidater för att söka efter förekomsten av en EDM.

Forskargruppen bestod av Dr. O'Donnell, Dr Michael Bowry, Dr Bondili Sreenivasa Nara Singh, Professor Marcus Scheck, Professor John F Smith och Dr. Pietro Spagnoletti från UWS:s School of Computing, Ingenjörs- och fysikaliska vetenskaper; och University of Strathclydes professor Dino Jaroszynski, och Ph.D. eleverna Majid Chishti och Giorgio Battaglia.

Professor Dino Jaroszynski, Direktör för Scottish Center for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA) vid University of Strathclyde, sa:"Detta samarbete, som bygger på expertis från en mångfaldig grupp av forskare, är ett utmärkt exempel på hur samarbete kan leda till ett stort genombrott. Den belyser samarbetsandan inom den skotska fysikgemenskapen som främjas av Scottish University Physics Alliance (SUPA) och lägger grunden för våra samarbetsexperiment vid SCAPA."

Experimenten började med ett prov av torium-232, som har en halveringstid på 14 miljarder år, vilket betyder att det sönderfaller väldigt långsamt. Nedbrytningskedjan i denna kärna skapar exciterade kvantmekaniska tillstånd i kärnan torium-228. Sådana tillstånd förfaller inom nanosekunder efter att de skapats, genom att sända ut gammastrålar.

Dr. O'Donnell och hans team använde mycket känsliga toppmoderna scintillatordetektorer för att upptäcka dessa ultrasällsynta och snabba sönderfall. Med noggrann konfiguration av detektorer och signalbehandlingselektronik, forskargruppen har kunnat exakt mäta livslängden för de exciterade kvanttillstånden, med en noggrannhet på två biljondelar av en sekund. Ju kortare livslängden för kvanttillståndet desto mer uttalad är päronformen av torium-228-kärnan - vilket ger forskare en bättre chans att hitta en EDM.