Sulle tracce del mistero della materia

Sia la materia dell'universo che la cosiddetta antimateria sono state create nel Big Bang - almeno questa è la teoria attuale. Tuttavia, poiché i due elementi si sono annullati a vicenda, deve essersi creata un'eccedenza di materia che permane tuttora. Come ciò sia avvenuto è uno dei grandi misteri della fisica e dell'astronomia. I ricercatori sperano di trovare un indizio sul fenomeno sottostante con l'aiuto dei neutroni, i mattoni elettricamente non carichi dei nuclei atomici. L'ipotesi: se il neutrone avesse un momento di dipolo elettrico misurabile (nEDM in breve), potrebbe essere alla base dello stesso principio fisico che spiegherebbe anche l'eccesso di materia dopo il Big Bang.

50.000 misurazioni

La ricerca della nEDM può essere espressa nel linguaggio quotidiano come la domanda se il neutrone sia o meno una bussola elettrica. Da tempo è chiaro che il neutrone è una bussola magnetica e reagisce a un campo magnetico, o in gergo tecnico: ha un momento di dipolo magnetico. Tuttavia, se il neutrone avesse anche un momento di dipolo elettrico, il suo valore sarebbe molto più basso e quindi molto più difficile da misurare, come già sappiamo da studi precedenti.

In un nuovo studio, i fisici dell'ETH di Zurigo, dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) di Villigen e dell'Università di Berna, in collaborazione con ricercatori di altre 13 istituzioni in Europa e negli Stati Uniti, hanno rimisurato il momento di dipolo elettrico del neutrone con una precisione senza precedenti. I ricercatori utilizzano la sorgente di neutroni ultrafreddi del PSI, che fornisce neutroni a una velocità relativamente bassa. Chi siamo, per un periodo di due anni, ha convogliato nell'esperimento gruppi di oltre 10.000 neutroni per otto secondi ogni 300 secondi e li ha esaminati. I ricercatori hanno misurato un totale di 50.000 pacchetti di questo tipo fino a raggiungere un numero sufficientemente elevato di neutroni osservati.

Le misurazioni hanno richiesto un grande sforzo per mantenere costante il campo magnetico locale. Ad esempio, i camion che passavano sulla strada adiacente al PSI disturbavano il campo magnetico in misura rilevante per questo esperimento e quindi dovevano essere eliminati dai dati del test come segnale di interferenza. "Anche per il PSI, con le sue strutture di ricerca su larga scala, si è trattato di uno studio piuttosto esteso", spiega Klaus Kirch, l'ETH professore di fisica sperimentale delle particelle e responsabile dello studio dal 2005 al 2018. "Ma è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno oggi se cerchiamo una fisica che vada oltre il modello standard".

Previste misure ancora più precise

Come negli studi precedenti, i ricercatori non sono riusciti a determinare un valore non nullo per il nEDM. "Se il neutrone ha un momento di dipolo elettrico, questo è troppo piccolo per essere misurato con gli strumenti esistenti", spiega Kirch. Per la fisica al di là del modello standard, questo significa che è diventato meno probabile che l'eccesso di materia nell'universo possa essere spiegato dal momento di dipolo elettrico del neutrone. Ma non si può ancora escludere del tutto. Per questo motivo la fisica sta già pianificando il prossimo esperimento, ancora più preciso: la prossima serie di misurazioni inizierà nel 2021 e misurerà i neutroni con una precisione ancora maggiore.

Questo testo è stato redatto sulla base di un comunicato stampa del pagina esternaIstituto Paul Scherrer creato.