Głęboko pod górą we Włoszech, w najzimniejszym metrze sześciennym znanego wszechświata, naukowcy szukają dowodów na to, że upiorne cząstki zwane neutrinami działają jak ich partnerzy antymaterii. To, co odkryli ci badacze, może wyjaśnić brak równowagi materii i antymaterii we wszechświecie.
Jak dotąd pojawili się z pustymi rękami.
Najnowsze wyniki z pierwszych dwóch miesięcy eksperymentu CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) w Gran Sasso we Włoszech nie wskazują na proces dowodzący, że neutrina wytwarzane przez promieniowanie kosmiczne są ich własnymi partnerami antymaterii. Oznacza to, że jeśli proces ten nastąpi, zdarza się tak rzadko, że odbywa się mniej więcej raz na 10 septillionów (10 ^ 25) lat.
Ostatecznym celem tego eksperymentu jest rozwiązanie jednej z najtrwalszych zagadek wszechświata, która sugeruje, że nie powinniśmy tu być. Ta zagadka istnieje, ponieważ teoretyczny Wielki Wybuch - w którym mówi się, że niewielka osobliwość nadmuchała ponad 13,8 miliarda lat, tworząc wszechświat - powinien doprowadzić do powstania wszechświata z 50 procentami materii i 50 procentami antymaterii.
Kiedy materia i antymateria spotykają się, unicestwiają się i wzajemnie nieistnieją.
Ale tego nie widzimy dzisiaj. Zamiast tego nasz wszechświat to głównie materia, a naukowcy starają się odkryć, co stało się z całym antymaterią.
Tam właśnie wchodzą neutrina.
Co to są neutrina?
Neutrina to małe cząstki elementarne praktycznie bez masy. Każda z nich jest mniejsza niż atom, ale są to jedne z najliczniejszych cząstek w przyrodzie. Podobnie jak duchy, mogą przechodzić przez ludzi i ściany, nie zauważając nikogo (nawet neutrina).
Większość cząstek elementarnych ma dziwny odpowiednik antymaterii, zwany antycząstką, który ma taką samą masę jak partner normalnej materii, ale ładunek przeciwny. Ale neutrina same w sobie są trochę dziwne, ponieważ prawie nie mają żadnej masy i są bez ładunku. Fizycy przypuszczali, że mogą być własnymi antycząstkami.
Kiedy cząstka działa jak własna antycząstka, nazywa się ją cząsteczką Majorana.
„Teorie, które obecnie mamy, po prostu nie mówią nam, czy neutrina są tego typu Majorana. I to jest bardzo interesujące, aby szukać, ponieważ już wiemy, że coś nam brakuje w neutrinach” - fizyk teoretyczny Sabine Hossenfelder, pracownik Instytutu Zaawansowanych Studiów we Frankfurcie w Niemczech, powiedział Live Science. Hossenfelder, który nie jest częścią CUORE, odnosi się do dziwnych, niewyjaśnionych funkcji neutrin.
Jeśli neutrina są Majoranami, wówczas będą w stanie przejść między materią a antymaterią. Naukowcy stwierdzili, że jeśli większość neutrin przekształciła się w zwykłą materię na początku wszechświata, może to wyjaśniać, dlaczego materia przeważa dziś nad antymaterią - i dlaczego istniejemy.
Eksperyment CUORE
Badanie neutrin w typowym laboratorium jest trudne, ponieważ rzadko wchodzą w interakcje z inną materią i są niezwykle trudne do wykrycia - miliardy przechodzą przez ciebie niezauważone co minutę. Trudno też odróżnić je od innych źródeł promieniowania. Właśnie dlatego fizycy musieli zejść pod ziemię - prawie milę (1,6 km) pod powierzchnią Ziemi - gdzie gigantyczna stalowa kula otacza detektor neutrin prowadzony przez Krajowe Laboratorium Gran Sasso Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej.
To laboratorium jest domem dla eksperymentu CUORE, który szuka dowodów na proces zwany podwójnym rozpadem beta bez neutrinolitu - inny sposób na powiedzenie, że neutrina działają jak własne antycząstki. W normalnym procesie rozpadu podwójnej beta jądro rozpada się i emituje dwa elektrony i dwa antyneutrina. Jednak neutrinolowy podwójny rozpad beta nie wydzielałby żadnych antyneutrin, ponieważ te antyneutrina mogłyby służyć jako własne antycząstki i wzajemnie się unicestwiały.
Próbując „zobaczyć” ten proces, fizycy obserwowali energię emitowaną (w postaci ciepła) podczas rozpadu radioaktywnego izotopu telluru. Gdyby nastąpił rozpad podwójnego beta bez neutrinolitu, nastąpiłby pik przy pewnym poziomie energii.
Aby dokładnie wykryć i zmierzyć tę energię cieplną, naukowcy stworzyli najzimniejszy metr sześcienny w znanym wszechświecie. Porównują go do ogromnego termometru z prawie 1000 kryształów dwutlenku telluru (TeO2) działającego przy 10 milikelwinach (mK), czyli minus 459,652 stopni Fahrenheita (minus 273,14 stopni Celsjusza).
W miarę rozpadu radioaktywnych atomów telluru detektory te szukają tego piku energii.
„Obserwacja, że neutrina są ich własnymi antycząsteczkami, byłaby znaczącym odkryciem i wymagałaby od nas przepisania powszechnie przyjętego standardowego modelu fizyki cząstek. Powiedziałby nam, że istnieje nowy i inny mechanizm masowania materii”, badacz Karsten Heeger, profesor Uniwersytetu Yale, powiedział Live Science.
I nawet jeśli CUORE nie może definitywnie wykazać, że neutrino jest jego własną antycząstką, technologia zastosowana w badaniu może mieć inne zastosowania, powiedziała Lindley Winslow, adiunkt fizyki w Massachusetts Institute of Technology i część zespołu CUORE.
„Technologia chłodząca CUORE do 10 mK jest taka sama, jak stosowana do chłodzenia obwodów nadprzewodnikowych do obliczeń kwantowych. Następna generacja komputerów kwantowych może żyć w kriostacie w stylu CUORE. Możesz nazwać nas wczesnymi odbiorcami” - powiedział Winslow Live Nauka.
