Mednarodna skupina raziskovalcev se že leta skriva globoko pod goro v osrednji Italiji in neutrudno zbira najobčutljivejše meritve iz najhladnejšega kubičnega metra v znanem vesolju. Znanstveniki iščejo dokaze, da so srhljivi delci, imenovani nevtrini, nerazločljivi po njihovih protiimaterskih kolegih. Če bi ga dokazali, bi odkritje lahko razrešilo kozmično težavo, ki že desetletja muči fizike: Zakaj materija sploh obstaja?
Že dolgo vedo, da ima zadeva zlobno dvojčico, imenovano protiimaro. Za vsakega temeljnega delca v vesolju obstaja antidelec, ki je skoraj enak svojemu bratu, z enako maso, vendar nasprotno nabitim. Ko se delci in anti delci srečajo iz oči v oči, se med seboj uničijo, kar ustvarja čisto energijo.
"Imamo to navidezno popolno simetrijo obračunavanja med materijo in antimaterijo," je za Live Science povedal Thomas O'Donnell, profesor fizike na univerzi Virginia Tech. "Vsakič, ko naredite kos zadeve, naredite tudi izravnalni kos antimaterije in vsakič, ko delček snovi uničite, morate uničiti kos antimaterije. Če je to res, nikoli ne morete imeti več ene vrste kot drugi. "
Ta simetrija je v nasprotju z našim trenutnim razumevanjem, kako se je vesolje začelo. Glede na teorijo velikega poka, ko se je vesolje razširilo iz neskončno majhne posebnosti pred približno 13,8 milijarde let, se verjame, da so nastale enake količine snovi in antimaterije. Ko pa astronomi danes pogledajo v kozmos, je vesolje skoraj v celoti sestavljeno iz materije, na vidiku pa ni nobenega zlobnega dvojčka. Še bolj zaskrbljujoče je, če je teorija velikega praska pravilna, danes - da, ljudje - danes ne bi smeli biti tukaj.
"Če bi se materija in antimaterija v celoti držali te simetrije, bi se s tem, ko bi se vesolje razvijal, vsa materija in antimaterija uničila v fotone in ne bi ostalo ničesar za zvezde, planete ali celo človeške celice. Ne bi obstajali!" Je rekel O'Donnell. "Glavno vprašanje je:" Ali se je ta računovodska shema kdaj razbila med vesoljem? "
Na to vprašanje si upajo odgovoriti O'Donnell in njegovi sodelavci. V zadnjih dveh letih je njihova ekipa v nacionalnem laboratoriju Gran Sasso v Italiji zbirala in analizirala podatke iz eksperimenta CUORE (kriogeni podzemni observatorij za redke dogodke) in iskala pištolo za kajenje, ki bi to kozmično skrivnost postavila v počitek.
Mali nevtralni
CUORE, kar v italijanščini pomeni "srce", išče dokaze, da so neugledni subatomski delci, imenovani nevtrini, njihov lastni delček, kar fiziki imenujejo majoranski delček. Nevtrine, ki skozi večino snovi preidejo kot spekterji, je izjemno težko zaznati. Pravzaprav po podatkih NASA trilijo nevtrinov, ki izvirajo iz ognjene jedrske peči našega sonca, vsako sekundo skozi naša telesa preidejo.
V poskusu CUORE iščejo podpis majoranskih nevtrinov, ki se med seboj uničujejo v procesu, imenovanem nevtinološko dvojno beta propadanje. Pri navadnem dvojnem beta razpadu se dva nevtrona v jedru atoma pretvorita v dva protona, ki oddajata par elektronov in antinevtrino. Ta jedrski dogodek, čeprav je izjemno redek in se zgodi le enkrat na vsakih 100 kvintiljonskih let (10 ^ 20) za posamezen atom, je bil opažen v resničnem življenju.
Če pa so raziskovalci pravilni in so nevtrini pravi majoranski delci (so njihov lastni delci), bi se lahko dva antinevtrina, ki sta nastala med razpadom, medsebojno uničila in ustvarila nevtinološko propadanje z dvojno beta. Rezultat? Samo elektroni, ki so "navadna materija." Če se ta postopek izkaže za resničnega, je morda odgovoren za sejanje zgodnjega vesolja z navadno snovjo. Opazovanje tega procesa pa je že druga zgodba. Znanstveniki ocenjujejo, da nevtinološko razpadanje dvojne beta (če sploh obstaja) lahko poteka le enkrat na vsakih 10 septilijonskih let (10 ^ 25).
"Način brez neutrinov je tisti, ki si ga resnično želimo ogledati, kršil bi pravila in ustvaril zadevo brez antimaterije," je dejal O'Donnell, ki je član sodelovanja pri CUORE. "To bi bil prvi namig za resnično rešitev asimetrije snovi proti antimateriji."
Detektor CUORE išče energijski podpis v obliki toplote iz elektronov, ustvarjenih med radioaktivnim razpadom atomov telurja. Nevtrinozni razpad dvojne beta bi pustil edinstven in prepoznaven vrh v energijskem spektru elektronov.
"CUORE je v bistvu eden najbolj občutljivih termometrov na svetu," je dejal Carlo Bucci, tehnični koordinator za sodelovanje pri CUORE.
Instrument CUORE, sestavljen v desetletju, je najhladnejši kubični meter v znanem vesolju. Sestavljen je iz 988 kristalov v obliki kocke, narejenih iz telurjevega dioksida, ohlajenih na 10 mili-kelvin ali minus 460 stopinj Fahrenheita (minus 273 stopinj Celzija), le lasje nad najhladnejšo temperaturno fiziko bodo dopuščali. Za zaščito poskusa pred motnjami zunanjih delcev, kot so kozmični žarki, je detektor zaprt v debelo plast visoko čistega svinca, pridobljenega iz 2.000 let starega rimskega brodoloma.
Kljub tehnološkim dosežkom ekipe se je izkazalo, da dogodek brez nevtrinov ni lahka naloga. Raziskovalci so zbrane podatke več kot štirikrat povečali od svojih prvotnih rezultatov v letu 2017, kar predstavlja največji nabor podatkov, ki ga je kadar koli zbral tovrstni detektor delcev. Njihovi zadnji rezultati, objavljeni v bazi podatkov pred natisom arXiv, kažejo, da niso našli nobenih dokazov o nevtinoznem dvojnem beta razpadu.
Sodelovanje je še vedno odločeno za lov na ta nedostopni delček z dvojnim agentom. Njihovi rezultati so tesneje vezani na pričakovano maso majoranskega nevtrina, za katerega menijo, da je vsaj 5 milijonov krat lažji od elektrona. Skupina ima v načrtu nadgradnjo CUORE po začetnem petletnem obdobju in uvajanje nove vrste kristala, za katero upajo, da bo občutno izboljšala njegovo občutljivost.
"Če je zgodovina dober napovedovalec prihodnosti, potem smo lahko dokaj prepričani, da nam bo potiskanje ovojnic detektorskih tehnologij omogočilo pregled nevtrinov z vedno večjo globino," je dejal O'Donnell. "Upajmo, da bomo odkrili nevtrinozno propadanje dvojne beta ali morda kaj bolj eksotičnega in nepričakovanega."
