I fisici della JILA effettuano misurazioni da record di una chiave elettrone proprietà, relativa alla possibile esistenza di tutta la materia.
Nei primi istanti del nostro universo, innumerevoli protoni, neutroni ed elettroni si sono formati insieme alle loro controparti di antimateria. Quando l’universo si espanse e si raffreddò, quasi tutte queste particelle di materia e antimateria si incontrarono e si annichilarono a vicenda, lasciando dietro di sé solo fotoni, o lampi di luce.
Gli elettroni sono costituiti da una carica elettrica negativa e gli scienziati del JILA hanno cercato di misurare l’uniformità di tale carica tra i poli nord e sud dell’elettrone. Qualsiasi irregolarità indicherebbe che l’elettrone non è perfettamente rotondo, e che sarebbe la prova di un’asimmetria nell’universo primordiale che ha portato all’esistenza della materia. Il Cornell Group del JILA ha studiato come si comportavano gli elettroni nelle molecole mentre regolavano il campo magnetico intorno a loro per cercare qualsiasi spostamento negli elettroni. Credito immagine: JILA/Steven Burrows
E se l’universo fosse perfettamente simmetrico, con uguali quantità di materia e antimateria, quella sarebbe la fine della storia – e noi non saremmo mai esistiti. Ma deve esserci stato uno squilibrio – alcuni protoni, neutroni ed elettroni rimanenti – che hanno formato atomi, molecole, stelle, pianeti, galassie e, infine, persone.
“Se l’universo fosse stato perfettamente simmetrico, allora non rimarrebbe altro che luce. Questo è un momento estremamente importante nella storia. All’improvviso ci sono cose nell’universo e la domanda è: perché? ha detto il membro del NIST/JILA Eric Cornell. “Perché abbiamo questa asimmetria?”
Le teorie e le equazioni matematiche che spiegano il nostro universo richiedono simmetria. I teorici delle particelle hanno perfezionato queste teorie per affrontare la presenza di asimmetria. Ma senza prove, quelle teorie sono solo matematiche, spiega Cornell, quindi i fisici sperimentali, incluso il suo gruppo al JILA, hanno cercato segni di asimmetria nelle particelle fondamentali come gli elettroni.
Ora, il gruppo JILA ha effettuato una misurazione da record degli elettroni, restringendo la ricerca dell’origine di questa asimmetria. I suoi risultati sono stati pubblicati in Scienza.
JILA è gestito congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall’Università del Colorado Boulder.
Un posto dove cercare prove di asimmetria è nel momento di dipolo elettrico dell’elettrone (eEDM). Gli elettroni sono costituiti da una carica elettrica negativa e l’eEDM indica quanto uniformemente tale carica è distribuita tra il polo nord e sud dell’elettrone. Qualsiasi misurazione di eEDM superiore allo zero confermerebbe un’asimmetria; l’elettrone sarebbe più a forma di uovo che circolare. Ma nessuno sa quanto piccola possa essere questa deviazione.
“Dobbiamo aggiustare la nostra matematica per essere più vicini alla realtà”, ha detto Tanya Roussy, una studentessa laureata nel gruppo di ricerca di Cornell al JILA. “Stiamo cercando luoghi in cui potrebbe esserci quell’asimmetria, in modo da poter capire da dove provenga. Gli elettroni sono particelle fondamentali e la loro simmetria ci parla della simmetria dell’universo.
Cornell, Roussy e il loro team del NIST e del JILA hanno recentemente stabilito un record per la misurazione di precisione dell’eEDM, migliorando le misurazioni precedenti di un fattore 2,4.
Quanto è preciso? Se un elettrone avesse le dimensioni della Terra, il loro studio ha scoperto che qualsiasi asimmetria esistente sarebbe più piccola del raggio di un atomo, ha spiegato Roussy.
Effettuare una misurazione così precisa è incredibilmente difficile, aggiunge, quindi il gruppo doveva essere intelligente. I ricercatori hanno esaminato le molecole di fluoruro di afnio. Se applicassero un forte campo elettrico alle molecole, gli elettroni non rotondi vorrebbero allinearsi con il campo, spostandosi all’interno della molecola. Se fossero rotondi, allora gli elettroni non si muoverebbero.
Usando un laser ultravioletto, hanno strappato gli elettroni dalle molecole, creando una serie di ioni caricati positivamente e li hanno intrappolati. Alternando il campo elettromagnetico attorno alla trappola, le molecole sono state costrette ad allinearsi o non allinearsi con il campo. Quindi i ricercatori hanno utilizzato i laser per misurare i livelli di energia dei due gruppi. Se i livelli fossero diversi tra loro, ciò indicherebbe che gli elettroni erano asimmetrici.
Il loro esperimento ha permesso loro di avere tempi di misurazione più lunghi rispetto ai tentativi passati, il che ha dato loro una maggiore sensibilità. Tuttavia, le misurazioni del gruppo hanno mostrato che gli elettroni non hanno spostato i livelli di energia, indicando che nel miglior modo possibile attualmente misurare, gli elettroni sono rotondi.
Non c’è alcuna garanzia che qualcuno troverà una misurazione diversa da zero di eEDM, sottolinea Cornell, ma questo livello di precisione da un esperimento da tavolo è un risultato. Mostra che i costosi acceleratori di particelle non sono l’unico mezzo per esplorare queste domande fondamentali sull’universo e che ci sono molte strade da provare.
E mentre il gruppo non ha trovato l’asimmetria, il suo risultato aiuterà il campo a continuare a cercare risposte all’asimmetria dell’universo primordiale.
“Abbiamo scoperto che fino alla nostra misurazione l’elettrone è simmetrico. Se avessimo trovato diverso da zero, sarebbe stato un grosso problema”, ha aggiunto Roussy. “La soluzione migliore è avere team di scienziati in tutto il mondo che esaminino diverse opzioni. Finché continueremo a misurare la verità, alla fine qualcuno la troverà.
Carta: Tanya S. Roussy, Luke Caldwell, Trevor Wright, William B. Cairncross, Yuval Shagam, Kia Boon Ng, Noah Schlossberger, Sun Yool Park, Anzhou Wang, Jun Ye e Eric A. Cornell. Un nuovo limite sul momento di dipolo elettrico dell’elettrone. Scienza. Pubblicato online il 6 luglio 2023. DOI: 10.1126/science.adg4084
Fonte: NIST
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