Évek óta egy nemzetközi kutatócsoport elrejtette magát egy olasz középhegység mélyén, fáradhatatlanul összegyűjtve a legérzékenyebb méréseket az ismert univerzum leghidegebb köbméteréből. A tudósok arra keresnek bizonyítékot, hogy a szellemszerű részecskék, amelyeket neutrinóknak neveznek, megkülönböztethetetlenek a saját antianyag-társaiktól. Ha bebizonyosodik, akkor a felfedezés megoldhatja a kozmikus zavart, amely évtizedek óta sújtotta a fizikusokat: Miért létezik egyáltalán az anyag?
Régóta tudták, hogy az anyagnak van egy gonosz kettős antimaterikója. Az univerzum minden alapvető részecskéje létezik olyan antirészecske, amely majdnem megegyezik testvéreivel, ugyanolyan tömeggel, de ellentétes töltéssel. Amikor egy részecske és a részecske szembe néz egymással, megsemmisítik egymást, tiszta energiát teremtve.
"Megvan a látszólagos teljes szimmetria az anyag és az antianyag között" - mondta Thomas O'Donnell, a Virginia Tech Egyetem fizikai professzora a Live Science-nek. "Minden alkalommal, amikor elkészít egy darab anyagot, elkészít egy kiegyensúlyozó darab antianyagot, és minden alkalommal, amikor elpusztít egy darab anyagot, el kell pusztítania egy darab antianyagot. Ha ez igaz, akkor soha nem lehet egynél több mint a másik. "
Ez a szimmetria ellentétes az univerzum kezdetének jelenlegi megértésével. A Nagyrobbanás-elmélet szerint, amikor az univerzum körülbelül 13,8 milliárd évvel ezelőtt kibővült a végtelen szingularitásból, úgy gondolják, hogy azonos mennyiségű anyag és antianyag létezett. Amikor azonban a csillagászok ma a kozmoszba néznek, az univerzum szinte teljes egészében az anyagból áll, és egyik gonosz ikre sem látható. Több aggodalomra ad okot, ha a Big Bang Theory helyes, akkor - igen, emberek - nem szabad ma itt lennünk.
"Ha az anyag és az antianyag teljes mértékben engedelmeskedik ennek a szimmetrianak, akkor a kozmosz fejlődésével az anyag és az antianyag fotonokké pusztult volna el, és csillagokra, bolygókra vagy akár emberi sejtekre semmi baj nem maradna. Nem lennénk létezőek!" - mondta O'Donnell. "Akkor a nagy kérdés:" Megszakadt-e ez a könyvelési rendszer az univerzum fejlődése során? "
Erre a kérdésre reménykedik O'Donnell és munkatársai. Az elmúlt két évben csapatuk összegyűjtötte és elemezte az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratórium CUORE (kriogén föld alatti ritka események megfigyelőközpontja) kísérletének adatait, és kereste a dohányzó fegyvert, amely a kozmikus rejtélyt pihenésre engedné.
A kis semlegesek
A CUORE, ami olaszul "szív", azt jelenti, hogy bizonyítékokat keres arra, hogy a neutrínóknak nevezett megfoghatatlan szubatomi részecskék saját részecske-ellenes részeik, amiket a fizikusok Majorana részecskének hívnak. A neutrínókat, amelyek mint a kísértetek átjutnak a legtöbb anyagon, rendkívül nehéz felismerni. Valójában, a NASA szerint, napunk tüzes tüzelőkemencéjéből származó billió neutrínók száma másodpercenként áthalad a testünkön.
A CUORE kísérlet a Majorana neutrinók aláírását keresi, amelyek megsemmisítik egymást egy neutrinoless kettős-béta-bomlásnak nevezett folyamatban. A szokásos kettős-béta-bomlás során az atommag magjában lévő két neutron egyidejűleg két protont képez, és elektronokat és antineutrinokat bocsát ki. Ezt a nukleáris eseményt, bár rendkívül ritka, és csak egy 100 kvintillion évente (10 ^ 20) fordul elő egy atom esetében, a valós életben megfigyelték.
Ha azonban a kutatók helyesek és a neutrinók valódi Majorana részecskék (ők a saját részecskék), akkor a bomlás során létrejött két antineutrinos megsemmisítheti egymást, és neutrino nélküli kettős-béta bomlást hozhat létre. Az eredmény? Csak elektronok, amelyek "közönséges anyag". Ha ez a folyamat igaznak bizonyul, lehet, hogy felelős a korai világegyetem rendes anyaggal való bevetéséért. Ennek a folyamatnak a megfigyelése azonban egy másik történet. A tudósok becslése szerint a neutrino nélküli kettős-béta-bomlás (ha egyáltalán létezik), 10 hetedik évente csak egyszer fordulhat elő (10 ^ 25).
"A neutrinoless módot valóban szeretnénk látni, mert ez megsértené a szabályokat, antisztatikus anyagot teremtve" - mondta O'Donnell, aki a CUORE együttműködés tagja. "Ez lenne az első nyom az anyag-antianyag-aszimmetria valódi megoldására."
A CUORE detektor hőenergia-formában keresi az tellon atomok radioaktív bomlása során keletkezett elektronok energiajelét. A neutrino nélküli kettős-béta-bomlás egyedi és megkülönböztethető csúcsot hagyna az elektronok energiaspektrumában.
"A CUORE lényegében a világ egyik legérzékenyebb hőmérője" - nyilatkozta Carlo Bucci, a CUORE együttműködés műszaki koordinátora.
Egy évtized alatt összeszerelt CUORE műszer a leghidegebb köbméter az ismert világegyetemben. 988 kocka alakú, tellérium-dioxidból készült kristályból áll, 10 millikvinvinre vagy mínusz 460 fokra (mínusz 273 Celsius fok) lehűtve, csak a legfelső hőmérséklet feletti haj lehetővé teszi. Annak érdekében, hogy megóvják a kísérletet a külső részecskék, például a kozmikus sugarak beavatkozásától, az érzékelőt egy vastag ólom vastag rétegébe burkolják, amelyet egy 2000 éves római hajótörésből nyernek ki.
A csapat technológiai eredményei ellenére a neutrinoless esemény megtalálása nem könnyű feladat. A kutatók a 2017. évi kezdeti eredményeik óta több mint négyszeresére tettek össze az összegyűjtött adatokat, és ez a legnagyobb adatkészlet, amelyet a maga nemében egy ilyen részecskedetektor gyűjtött. Az arXiv preprint adatbázisában közzétett legfrissebb eredményeik azt mutatják, hogy nem találtak bizonyítékot a neutrinoless kettős-béta bomlásra.
Az együttműködés továbbra is eltökélt szándéka annak, hogy vadászatra dobja ezt a megfoghatatlan kettős ágenst tartalmazó részecskét. Eredményeik szigorúbban megkötötték a Majorana neutrino várható tömegét, amely szerintük legalább ötszörösebben könnyebb, mint egy elektron. A csapat azt tervezi, hogy az első ötéves futtatása után frissíti a CUORE-t, új típusú kristály bevezetésével, amely reményük szerint jelentősen javítja annak érzékenységét.
"Ha a történelem jó előrejelzője a jövőnek, akkor elég biztosak lehetünk abban, hogy a detektortechnológiák borítékának nyomása lehetővé teszi számunkra, hogy folyamatosan növekvő mélységben ellenőrizzük a neutrínókat" - mondta O'Donnell. "Remélhetőleg felfedezzük a neutrinoless kettős béta-bomlást, vagy talán valami egzotikusabb és váratlanabb dolgot."
