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Físicos miden con precisión el momento dipolar eléctrico del neutrón


En electromagnetismo, hay dos tipos de dipolos: un dipolo eléctrico y un dipolo magnético. Las líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales de igual magnitud pero de signos opuestos son conocidas como dipolo eléctrico; un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud, cercanas entre sí.

En un documento científico publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo internacional de físicos informa la medición más precisa jamás antes realizada del momento dipolar eléctrico del neutrón, una partícula subatómica que se encuentra en el núcleo de cada átomo, excepto el del hidrógeno. Los resultados muestran que el neutrón tiene un momento dipolar eléctrico significativamente más pequeño que lo predicho por varias teorías sobre por qué la materia permanece en el universo.

"Después de más de dos décadas de trabajo de investigadores en la Universidad de Sussex y en otros lugares, ha surgido un resultado final de un experimento diseñado para abordar uno de los problemas más profundos en cosmología durante los últimos cincuenta años: la pregunta de por qué el universo contiene mucha más materia que antimateria, y por consiguiente, por qué ahora contiene materia. ¿Por qué la antimateria no aniquilo toda la materia? ¿Por qué queda algo?", dijo el profesor Philip Harris de la Universidad de Sussex.

"La respuesta se relaciona con una asimetría estructural que debería aparecer en partículas fundamentales como los neutrones. Esto es lo que hemos estado buscando. Hemos descubierto que el momento dipolar eléctrico es más pequeño de lo que se creía anteriormente. Esto nos ayuda a descartar teorías sobre por qué queda materia en el universo, porque las teorías que rigen los dos fenómenos están vinculadas".

"Hemos establecido un nuevo estándar internacional para la sensibilidad de este experimento. Lo que estamos buscando en el neutrón; la asimetría que muestra que es positivo en un extremo y negativo en el otro, es increíblemente pequeño".

"Nuestro experimento fue capaz de medir esto con tanto detalle que si la asimetría pudiera ampliarse al tamaño de una pelota de fútbol, ​​entonces una pelota de fútbol ampliada en la misma cantidad llenaría el universo visible".

El experimento es una versión mejorada del aparato diseñado originalmente por investigadores de la Universidad de Sussex y del Laboratorio Rutherford Appleton, y que ha mantenido el récord mundial de sensibilidad de manera continua desde 1999 hasta ahora.

"Nuestro experimento reúne técnicas de física atómica y física nuclear de baja energía, incluida la magnetometría óptica basada en láser y la manipulación de espín cuántico", dijo el Dr. Clark Griffith de la Universidad de Sussex.

"Al utilizar estas herramientas multidisciplinarias para medir las propiedades del neutrón con extrema precisión, podemos sondear preguntas relevantes para la física de partículas de alta energía y la naturaleza fundamental de las simetrías subyacentes al universo".

Cualquier momento dipolar eléctrico que pueda tener un neutrón es pequeño, por lo que es extremadamente difícil de medir. Mediciones anteriores de otros investigadores han confirmado esto.

En particular, el equipo de científicos tuvo que hacer grandes esfuerzos para mantener el campo magnético local muy constante durante la última medición.

Por ejemplo, cada camión que circulaba por la carretera al lado del instituto perturbó el campo magnético en una escala que habría sido significativa para el experimento, por lo que este efecto tuvo que compensarse durante la medición.

Además, la cantidad de neutrones observados debía ser lo suficientemente grande como para proporcionar la oportunidad de medir el momento dipolar eléctrico. Las mediciones se realizaron durante un período de dos años. Se midieron los llamados neutrones ultrafríos, es decir, neutrones con una velocidad relativamente lenta.

Cada 300 segundos, un grupo de más de 10,000 neutrones fue dirigido al experimento y examinado en detalle. Los investigadores midieron un total de 50,000 cúmulos de este tipo.

Descubrieron que el valor del momento dipolar eléctrico de los neutrones es:

  dn= (0.0±1.1stat±0.2sys)*10−26e.cm.

"Los resultados respaldaron y mejoraron los de sus predecesores: se ha establecido un nuevo estándar internacional", dijeron los investigadores.

"El tamaño del momento dipolar eléctrico todavía es demasiado pequeño para medirlo con los instrumentos que se han utilizado hasta ahora, por lo que algunas teorías que intentaron explicar el exceso de materia se han vuelto menos probables. Por lo tanto, el misterio permanece, por el momento".

Referencia del documento científico:
C. Abel et al. 2020. Medición del momento dipolo eléctrico permanente del neutrón. Phys. Rev. Lett 124 (8): 081803; doi: 10.1103 / PhysRevLett.124.081803

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