Pourquoi l'univers observable ne contient-il pratiquement pas d'antimatière ? Les particules d'antimatière ont la même masse mais une charge électrique opposée à celle de leurs homologues de matière. De très petites quantités d'antimatière peuvent être créées en laboratoire. Cependant, pratiquement aucune antimatière n'est observée ailleurs dans l'univers.

Les physiciens croient qu'il y avait des quantités égales de matière et d'antimatière au début de l'histoire de l'univers – alors comment l'antimatière a-t-elle disparu ? Un chercheur de la Michigan State University fait partie d'une équipe de chercheurs qui examine ces questions dans un article récemment publié dans Critiques de la physique moderne .

Jaideep Taggart Singh, professeur adjoint de physique MSU à l'installation pour les faisceaux d'isotopes rares, ou FRIB, étudie les atomes et les molécules noyés dans les solides à l'aide de lasers. Singh a une nomination conjointe au département de physique et d'astronomie de la MSU.

La réponse pourrait être enracinée dans la nature des forces entre les particules subatomiques qui ne sont pas les mêmes lorsque le temps est inversé. Les physiciens théorisent que cette violation de l'inversion du temps est l'ingrédient clé nécessaire pour percer le mystère cosmique de l'antimatière manquante. De telles forces de violation d'inversion du temps entraînent une propriété des particules appelée moment dipolaire électrique permanent (EDM). Depuis plus de 60 ans, les physiciens ont recherché des EDM avec une précision croissante, mais ils ne les ont jamais observés. Cependant, les théories récentes de la physique des particules prédisent des EDM mesurables. Cela a conduit à une recherche mondiale d'EDM dans des systèmes tels que les neutrons, molécules, et des atomes.

Les recherches EDM font souvent intervenir des horloges atomiques fonctionnant dans un champ magnétique contrôlé (uniforme dans l'espace et stable dans le temps). Dans un champ électrique, une horloge atomique ultra-stable avec un EDM différent de zéro fonctionnera légèrement plus vite ou plus lentement. Le succès de telles expériences dépend de la capacité des physiciens à contrôler le champ magnétique environnant et d'autres facteurs environnementaux.

Les EDM d'atomes tels que le radium et le mercure sont principalement dus à des forces provenant du milieu nucléaire. Les meilleures limites de ces types de forces sont actuellement dérivées de l'atome de mercure-199. Des chercheurs de l'Université de Washington, Seattle, ont découvert que leur horloge à mercure 199 perd moins d'une seconde tous les 400 siècles. Cette expérience est impossible à améliorer à moins de pouvoir construire une horloge moins sensible aux facteurs environnementaux. Une expérience concurrente qui cherche à faire exactement cela est la recherche de l'EDM du radium-225. Il s'agit d'une collaboration entre le Laboratoire National d'Argonne, Université de Michigan, et l'Université des sciences et technologies de Chine.

L'isotope rare radium-225 est une alternative intéressante. Son noyau "en forme de poire" (voir figure) amplifie l'EDM observable par des ordres de grandeur par rapport au noyau presque sphérique du mercure-199. Afin de réaliser une expérience compétitive, une horloge au radium 225 n'a besoin d'être stable qu'à moins d'une seconde tous les deux ans. C'est difficile mais faisable. La sensibilité de cette horloge au radium n'est actuellement limitée que par le petit nombre d'atomes disponibles (environ 0,000005 milligrammes par jour). À l'avenir, en utilisant des noyaux encore plus "en forme de poire", comme l'isotope rare protactinium-229, peut améliorer la sensibilité de ces recherches EDM par un autre facteur de mille. En d'autres termes, une expérience compétitive avec une horloge au protactinium n'aurait besoin que d'être stable à moins d'une seconde chaque jour.

"Nous, tout ce que nous voyons, et le reste de l'univers observable existe parce que l'antimatière a disparu lors de la naissance de l'univers, " Dit Singh. " Découvrant une nouvelle source de violation de l'inversion du temps, peut-être en utilisant de rares noyaux en forme de poire, commencerait à expliquer comment cela s'est produit."

FRIB produira une abondance de noyaux en forme de poire tels que le radium-225 et, pour la première fois, protactinium-229. Cela permettra de rechercher un EDM avec une sensibilité sans précédent pour répondre au puzzle de l'antimatière.

MSU établit FRIB en tant que nouvelle installation d'utilisateurs scientifiques pour l'Office of Nuclear Physics du U.S. Department of Energy Office of Science. En construction sur le campus et exploité par MSU, Le FRIB permettra aux scientifiques de faire des découvertes sur les propriétés des isotopes rares afin de mieux comprendre la physique des noyaux, l'astrophysique nucléaire, interactions fondamentales, et applications pour la société, y compris en médecine, la sécurité intérieure, et de l'industrie.