Вчені з Університету Сассекса виміряли властивість нейтрона - фундаментальної частинки у Всесвіті - більш точно, ніж коли-небудь раніше. Їхня робота є частиною дослідження того, чому у Всесвіті залишилася матерія, тобто чому вся антиматерія, створена в результаті Великого Вибуху, не просто знищила матерію.
Команда вчених, що включала науково-технічну лабораторію Резерфорда Епплтона (STFC) у Великобританії, Інститут Пола Шеррера (PSI) у Швейцарії та низку інших установ, вивчала, чи діє нейтрон як «електричний компас».
Вважається, що нейтрони мають злегка асиметричну форму, будучи злегка позитивними на одному кінці і злегка негативними на іншому - щось на зразок електричного еквівалента стрижневого магніту. Це так званий «електричний дипольний момент» (EDM), і це те, що шукала команда.
Це важлива частина загадки про те, чому матерія залишається у Всесвіті, тому що наукові теорії про те, чому залишається матерія, також пророкують, що нейтрони більшою або меншою мірою мають властивість «електричного компасу». Виміряючи його, вчені зможуть наблизитися до істини про те, чому матерія залишається незмінною.
Група фізиків виявила, що нейтрон має значно меншу ЕДМ, ніж передбачали різні теорії про те, чому матерія залишається у Всесвіті; це робить ці теорії менш імовірними, тому їх потрібно змінити або знайти нові теорії.
Професор Філіп Харріс, голова Школи математичних і фізичних наук і керівник групи EDM в Сассекському університеті, сказав:
"Після більш ніж двох десятиліть роботи дослідників в Університеті Сассекса та інших місцях, остаточний результат з'явився в результаті експерименту, спрямованого на вирішення однієї з найглибших проблем космології за останні п'ятдесят років, а саме: питання про те, чому Всесвіт містить набагато більше матерії, ніж антиматерії, і, дійсно, чому він тепер містить якусь матерію взагалі. Чому антиматерія не знищила всю матерію? Чому взагалі залишилася якась матерія?
- Відповідь пов'язана зі структурною асиметрією, яка повинна проявлятися в таких фундаментальних частинках, як нейтрони. Це те, що ми шукали. Ми виявили, що «електричний дипольний момент» менше, ніж вважалося раніше. Це допомагає нам виключити теорії про те, чому матерія залишається - тому що теорії, які керують цими двома речами, пов'язані.
- Ми встановили новий міжнародний стандарт чутливості для цього експерименту. Те, що ми шукаємо в нейтроні - асиметрію, яка показує, що він позитивний на одному кінці і негативний на іншому, - це неймовірно крихітно. Наш експеримент дозволив виміряти її в таких деталях, що якби асиметрію можна було збільшити до розміру футбольного м'яча, то футбольний м'яч, збільшений на ту ж величину, заповнив би весь видимий Всесвіт.
Експеримент являє собою вдосконалену версію пристрою, спочатку розробленого дослідниками з Університету Сассекса і Лабораторії Резерфорда Епплтона (RAL), і який безперервно утримував світовий рекорд чутливості з 1999 року до теперішнього часу.
Доктор Мауріц ван дер Грінтен з Лабораторії Резерфорда Епплтона (RAL) сказав: "експеримент поєднує в собі різні сучасні технології, які всі повинні виконуватися одночасно. Ми раді, що обладнання, технології та експертні знання, розроблені вченими з RAL, зробили свій внесок у роботу з досягнення межі за цим важливим параметром.
50 000 вимірювань
Будь-який електричний дипольний момент, який може мати нейтрон, дуже малий, і тому його надзвичайно важко виміряти. Попередні вимірювання, проведені іншими дослідниками, підтвердили це.
Зокрема, команда вчених повинна була виконати велику роботу, щоб зберегти місцеве магнітне поле дуже постійним під час їх останнього виміру. Наприклад, кожна вантажівка, яка проїжджала по дорозі поруч з Інститутом, порушувала магнітне поле в масштабі, який був би значущим для експерименту, тому цей ефект повинен був бути компенсований під час вимірювання.
Крім того, кількість спостережуваних нейтронів має бути досить великою, щоб можна було виміряти електричний дипольний момент. Вимірювання проводилися протягом двох років.
Були виміряні так звані ультрахолодні нейтрони, тобто нейтрони з порівняно малою швидкістю. Кожні 300 секунд пучок з більш ніж 10 000 нейтронів прямував на експеримент і докладно вивчався. Дослідники виміряли в цілому 50 000 таких пучків. Вимірюване значення ЕДМ нейтрона виявилося рівним: dn=(0.0 ± 1.1stat ± 0.2sys)×10−26 e.cm.
Останні результати дослідників підтвердили і поліпшили результати їхніх попередників: було встановлено новий міжнародний стандарт. Розмір ЕДМ все ще занадто малий, щоб виміряти його за допомогою інструментів, які використовувалися досі, тому деякі теорії, які намагалися пояснити надлишок матерії, стали менш імовірними. Таким чином, таємниця ще залишається.
Наступне, точніше, вимірювання вже будується на PSI. Колаборація PSI розраховує почати наступну серію вимірювань до 2021 року.