De ani buni, o echipă internațională de cercetători s-a ascuns adânc sub un munte din centrul Italiei, colectând neobosit măsurătorile cele mai sensibile de la cel mai rece metru cub din universul cunoscut. Oamenii de știință caută dovezi conform cărora particulele fantomă numite neutrine sunt indistinguibile de omologii lor antimateriali. Dacă se dovedește, descoperirea ar putea rezolva o conundru cosmic care a afectat fizicienii de zeci de ani: De ce există materie deloc?
Știau de multă vreme că materia are o antimaterie dublă dublă. Pentru fiecare particulă fundamentală din univers, există un antiparticul care este aproape identic cu fratele său, cu aceeași masă, dar sarcină opusă. Când o particulă și un antiparticul se întâlnesc față în față, ele se anihilează reciproc, creând energie pură.
„Avem această aparentă simetrie completă a contabilității între materie și antimaterie”, a spus Thomas O'Donnell, profesor de fizică la Virginia Tech University, la Live Science. "De fiecare dată când faceți o bucată de materie, faceți și o piesă de echilibrare antimaterie și de fiecare dată când distrugeți o bucată de materie, trebuie să distrugeți o bucată de antimaterie. Dacă acest lucru este adevărat, nu puteți avea niciodată mai multe tipuri. decât celălalt. "
Această simetrie este în contradicție cu înțelegerea noastră actuală a modului în care a început universul. Conform Teoriei Big Bang, când universul s-a extins dintr-o singularitate infinitesimală cu aproximativ 13,8 miliarde de ani în urmă, se crede că au apărut cantități egale de materie și antimaterie. Cu toate acestea, atunci când astronomi privesc în cosmos astăzi, universul este compus aproape în întregime din materie, fără niciunul său geamăn rău la vedere. Mai tulburător, dacă teoria Big Bang-ului este corectă, atunci - da, oamenii - nu ar trebui să fim aici astăzi.
"Dacă materia și antimateria s-ar supune pe deplin acestei simetrii, atunci pe măsură ce cosmosul a evoluat, toată materia și antimateria s-ar fi anihilat în fotoni și nu ar mai rămâne materie pentru stele, planete sau chiar celule umane. Nu am exista!" Spuse O'Donnell. "Marea întrebare este atunci:„ S-a rupt această schemă de contabilitate cândva în timpul evoluției universului? "
Această întrebare este ceea ce speră să răspundă O'Donnell și colaboratorii colegi. În ultimii doi ani, echipa lor a colectat și analizat date din experimentul CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) din Laboratorul Național Gran Sasso din Italia, în căutarea pistolului de fumat care ar pune acest mister cosmic în repaus.
Micile neutre
CUORE, care înseamnă „inimă” în italiană, caută dovezi conform cărora particulele subatomice evazive numite neutrino sunt propriile lor antiparticule, ceea ce fizicienii numesc o particulă Majorana. Neutrinii, care trec ca spectrele prin cea mai mare parte a materiei, sunt extrem de greu de detectat. De fapt, potrivit NASA, miliarde de neutrini provenind din cuptorul nuclear aprins al soarelui nostru trec prin corpul nostru în fiecare secundă.
Experimentul CUORE caută semnătura neutrinilor Majorana care se anihilează reciproc într-un proces numit descompunere dublu-beta neutrinolă. În descompunerea obișnuită cu beta-beta, doi neutroni din nucleul unui atom se transformă simultan în doi protoni, emitând o pereche de electroni și antineutrini. Acest eveniment nuclear, deși extrem de rar și care a avut loc o singură dată la fiecare 100 de ani de cvasi-miliarde de ani (10 ^ 20) pentru un atom individual, a fost observat în viața reală.
Cu toate acestea, dacă cercetătorii sunt corecți și neutrinii sunt adevărate particule Majorana (sunt propriile lor antiparticule), atunci cei doi antineutrini creați în timpul degradării s-ar putea anihila reciproc și pot crea o descompunere dublu-beta neutrinolentă. Rezultatul? Doar electroni, care sunt „materie obișnuită”. Dacă acest proces se dovedește adevărat, poate fi responsabil de însămânțarea universului timpuriu cu materie obișnuită. Observarea acestui proces este însă o altă poveste. Oamenii de știință estimează descompunerea dublu-beta neutrinolă (dacă există deloc), poate avea loc o singură dată la fiecare 10 septilioane de ani (10 ^ 25).
"Modul neutrinoless este cel pe care dorim să-l vedem cu adevărat, ar încălca regulile, creând materie fără antimaterie", a spus O'Donnell, care este membru al colaborării CUORE. „Ar fi primul indiciu pentru o soluție reală a asimetriei antimaterie a materiei”.
Detectorul CUORE caută semnătura energetică, sub formă de căldură, de la electronii creați în timpul degradării radioactive a atomilor de telur. Cariul neutru-dublu-beta ar lăsa un vârf unic și distinctiv în spectrul energetic al electronilor.
"CUORE este, în esență, unul dintre cele mai sensibile termometre din lume", a declarat Carlo Bucci, coordonator tehnic pentru colaborarea CUORE într-o declarație.
Asamblat peste un deceniu, instrumentul CUORE este cel mai rece metru cub din universul cunoscut. Este format din 988 de cristale în formă de cub, fabricate din dioxid de telur, răcite până la 10 milli-kelvin, sau minus 460 grade Fahrenheit (minus 273 grade Celsius), doar un păr peste temperatura cea mai rece va permite fizica. Pentru a proteja experimentul de interferențele cu particule exterioare, cum ar fi razele cosmice, detectorul este încorporat într-un strat gros de plumb extrem de pur, recuperat dintr-un naufragiu roman de 2.000 de ani.
În ciuda realizărilor tehnologice ale echipei, găsirea evenimentului neutrinolent s-a dovedit a nu fi o sarcină ușoară. Cercetătorii au mai mult de patru ori date colectate de la rezultatele inițiale din 2017, reprezentând cel mai mare set de date colectat vreodată de un detector de particule de acest gen. Ultimele rezultate ale acestora, publicate pe baza de date preprint a arXiv, arată că nu au găsit nicio dovadă de degradare neutrinolă dublu-beta.
Colaborarea este încă determinată să vâneze această particulă evazivă cu dublu agent. Rezultatele lor au pus o legătură mai strânsă pe masa așteptată a unui neutrino Majorana, care cred că este de cel puțin 5 milioane de ori mai ușor decât un electron. Echipa are în plan să actualizeze CUORE după alergarea inițială de cinci ani, introducând un nou tip de cristal pe care speră că îi va îmbunătăți sensibilitatea.
„Dacă istoria este un bun predictor al viitorului, atunci putem fi siguri că împingerea învelișului tehnologiilor de detecție ne va permite să examinăm neutrinii cu o adâncime în continuă creștere”, a spus O'Donnell. „Sperăm că vom descoperi descompunerea dublu-beta neutrinolentă sau poate ceva mai exotic și neașteptat”.
