Od lat międzynarodowy zespół badaczy ukrył się głęboko pod górą w środkowych Włoszech, niestrudzenie gromadząc najbardziej czułe pomiary z najzimniejszego metra sześciennego w znanym wszechświecie. Naukowcy szukają dowodów na to, że upiorne cząstki zwane neutrinami są nie do odróżnienia od ich własnych odpowiedników antymaterii. Jeśli zostanie to udowodnione, odkrycie może rozwiązać kosmiczną zagadkę, która nęka fizyków od dziesięcioleci: Dlaczego materia w ogóle istnieje?
Od dawna wiedzą, że materia ma złego bliźniaka nazwanego antymaterią. Dla każdej fundamentalnej cząstki we wszechświecie istnieje antycząstka, która jest prawie identyczna z jej rodzeństwem, o tej samej masie, ale przeciwnych ładunkach. Kiedy cząstka i antycząstka spotykają się twarzą w twarz, one się niszczą, tworząc czystą energię.
„Mamy tę pozorną całkowitą symetrię rozliczeń między materią a antymaterią” - powiedział Live Science Thomas O'Donnell, profesor fizyki z Virginia Tech University. „Za każdym razem, gdy tworzysz kawałek materii, robisz również balansujący kawałek antymaterii i za każdym razem, gdy niszczysz kawałek materii, musisz zniszczyć kawałek antymaterii. Jeśli to prawda, nigdy nie możesz mieć więcej jednego rodzaju niż drugi ”.
Ta symetria stoi w sprzeczności z naszym obecnym zrozumieniem, jak powstał wszechświat. Według teorii Wielkiego Wybuchu, kiedy wszechświat rozszerzył się z nieskończonej osobliwości około 13,8 miliarda lat temu, uważa się, że powstały równe ilości materii i antymaterii. Jednak gdy astronomowie patrzą dzisiaj w kosmos, wszechświat składa się prawie wyłącznie z materii, a nie widać jej nikczemnego bliźniaka. Bardziej niepokojące, jeśli teoria Wielkiego Wybuchu jest poprawna, to my - tak, ludzie - nie powinniśmy tu być dzisiaj.
„Gdyby materia i antymateria w pełni przestrzegały tej symetrii, to w miarę ewolucji kosmosu cała materia i antymateria unicestwiłyby się w fotony i nie pozostałyby nic dla gwiazd, planet, a nawet ludzkich komórek. Nie istnielibyśmy!” - powiedział O'Donnell. „Główne pytanie brzmi zatem:„ Czy ten schemat rachunkowości zepsuł się kiedyś podczas ewolucji wszechświata? ”
To pytanie jest odpowiedzią na O'Donnell i współpracowników. W ciągu ostatnich dwóch lat zespół zebrał i przeanalizował dane z eksperymentu CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) w Gran Sasso National Laboratory we Włoszech, szukając dymnego pistoletu, który położyłby kres tej kosmicznej tajemnicy.
Te małe neutralne
CUORE, co w języku włoskim oznacza „serce”, szuka dowodów na to, że nieuchwytne cząstki subatomowe zwane neutrinami są ich własną antycząsteczką, którą fizycy nazywają cząsteczką Majorany. Neutrina, które przechodzą jak widma przez większość materii, są niezwykle trudne do wykrycia. W rzeczywistości, według NASA, tryliony neutrin pochodzących z ognistego pieca nuklearnego naszego Słońca przechodzą przez nasze ciała co sekundę.
Eksperyment CUORE szuka sygnatury neutrin Majorany, które unicestwiają się w procesie zwanym podwójnym rozpadem beta bez neutrin. W zwykłym rozpadzie podwójnego beta dwa neutrony w jądrze atomu jednocześnie przekształcają się w dwa protony, emitując parę elektronów i antyneutrin. To wydarzenie nuklearne, chociaż niezwykle rzadkie i występujące tylko raz na 100 kwintillionów lat (10 ^ 20) dla pojedynczego atomu, zaobserwowano w prawdziwym życiu.
Jeśli jednak badacze mają rację, a neutrina są prawdziwymi cząsteczkami Majorany (są ich własną antycząsteczką), wówczas dwa antyneutrina wytworzone podczas rozpadu mogłyby się wzajemnie unicestwić i stworzyć neutrinolowy podwójny rozpad beta. Wynik? Tylko elektrony, które są „zwykłą materią”. Jeśli ten proces okaże się prawdziwy, może być odpowiedzialny za zasianie wczesnego wszechświata zwykłą materią. Obserwacja tego procesu to jednak inna historia. Naukowcy szacują, że neutrinolowy rozpad podwójnej beta (jeśli w ogóle istnieje), może mieć miejsce tylko raz na 10 septionów lat (10–25).
„Tryb neutrinolowy jest tym, który naprawdę chcemy zobaczyć. Łamałby zasady, tworząc materię bez antymaterii” - powiedział O'Donnell, członek współpracy CUORE. „Byłby to pierwszy trop prawdziwego rozwiązania asymetrii materii i antymaterii”.
Detektor CUORE szuka sygnatury energetycznej, w postaci ciepła, z elektronów powstałych podczas rozpadu radioaktywnego atomów telluru. Neutrinolowy podwójny rozpad beta pozostawiłby unikalny i rozpoznawalny pik w spektrum energetycznym elektronów.
„CUORE jest w gruncie rzeczy jednym z najbardziej wrażliwych termometrów na świecie” - powiedział w oświadczeniu Carlo Bucci, koordynator techniczny ds. Współpracy CUORE.
Zbudowany przez dekadę instrument CUORE jest najzimniejszym metrem sześciennym w znanym wszechświecie. Składa się z 988 kryształów w kształcie sześcianu wykonanych z dwutlenku telluru, schłodzonych do 10 milikelwinów lub minus 460 stopni Fahrenheita (minus 273 stopni Celsjusza), tylko włos powyżej temperatury najzimniejszej fizyki na to pozwoli. Aby zabezpieczyć eksperyment przed interferencją ze strony cząstek zewnętrznych, takich jak promienie kosmiczne, detektor jest zamknięty w grubej warstwie bardzo czystego ołowiu odzyskanego z 2000-letniego rzymskiego wraku statku.
Mimo osiągnięć technologicznych zespołu znalezienie zdarzenia bez neutrin okazało się niełatwe. Naukowcy ponad czterokrotnie zwiększyli zebrane dane od ich początkowych wyników w 2017 r., Co stanowi największy zbiór danych kiedykolwiek zebrany przez detektor cząstek tego rodzaju. Ich ostatnie wyniki, opublikowane w bazie danych przedruku arXiv, pokazują, że nie znaleźli dowodów na brak neutrinolowego rozpadu podwójnej beta.
Współpraca jest nadal zdeterminowana, aby wytropić tę nieuchwytną cząsteczkę podwójnego środka. Ich wyniki silniej ograniczyły oczekiwaną masę neutrina Majorana, które ich zdaniem jest co najmniej 5 milionów razy lżejsze niż elektron. Zespół planuje ulepszyć CUORE po początkowym pięcioletnim okresie, wprowadzając nowy rodzaj kryształu, który, jak mają nadzieję, znacznie poprawi jego czułość.
„Jeśli historia jest dobrym prognostykiem przyszłości, możemy być całkiem pewni, że przesunięcie koperty technologii detektorów pozwoli nam badać neutrina z coraz większą głębokością” - powiedział O'Donnell. „Mamy nadzieję, że odkryjemy beznadziejowe podwójne rozpad beta, a może coś bardziej egzotycznego i nieoczekiwanego”.
