Kansainvälinen tutkijaryhmä on jo vuosien ajan piiloutunut syvälle keskelle italia sijaitsevaa vuoria, kerääen väsymättä herkät mittaukset tunnetun maailmankaikkeuden kylmästä kuutiometristä. Tutkijat etsivät todisteita siitä, että aavemaiset hiukkaset, joita kutsutaan neutriinoiksi, eivät ole erotettavissa omista antimateriaalin vastineista. Jos todistetaan, löytö voi ratkaista kosmisen ratkaisun, joka on vaivannut fyysikoita vuosikymmenien ajan: Miksi asiaa on olemassa?
He ovat jo kauan tienneet, että aineella on paha kaksoiskappale, jota puhutaan antimateriaalista. Jokaisella maailmankaikkeuden perushiukkasella on antihiukkas, joka on lähes identtinen sisaruksensa kanssa, samalla massalla, mutta vastakkaisella varauksella. Kun hiukkas ja antihiukkaset kohtaavat kasvokkain, ne tuhoavat toisiaan luomalla puhdasta energiaa.
"Meillä on tämä ilmeinen aineen ja antimaterian kirjanpidon symmetria", Virginia Tech Universityn fysiikan professori Thomas O'Donnell kertoi Live Sciencelle. "Joka kerta kun teet kappaleen ainetta, teet myös tasapainottavan kappaleen antimateriaa, ja joka kerta kun tuhoat aineen kappaleen, sinun on tuhottava pala antimateriaa. Jos tämä on totta, sinulla ei voi koskaan olla useampaa kuin yhtä tyyppiä. kuin toinen. "
Tämä symmetria on ristiriidassa nykyisen käsityksemme kanssa siitä, kuinka maailmankaikkeus alkoi. Big Bang Theoryn mukaan, kun maailmankaikkeus laajeni äärettömästä singulaarisuudesta noin 13,8 miljardia vuotta sitten, uskotaan, että aineita ja antimateriaa oli syntynyt yhtä suuret määrät. Kun tähtitieteilijät katsovat tänä päivänä kosmokseen, maailmankaikkeus koostuu melkein kokonaan aineesta, eikä yksikään sen paha kakso ole näkyvissä. Lisää huolestuttavaa, jos Big Bang Theory on oikea, niin meidän - kyllä, ihmisten - ei pitäisi olla täällä tänään.
"Jos aine ja antimateria noudattavat täysin tätä symmetriaa, niin kosmisen kehittyessä kaikki aine ja antimateria olisivat tuhoutuneet fotoneiksi ja tähtiille, planeetoille tai jopa ihmisen soluille ei jää mitään asiaa. Meitä ei olisi olemassa!" O'Donnell sanoi. "Sitten iso kysymys on:" Hajoaako tämä kirjanpitojärjestelmä joskus maailmankaikkeuden kehityksen aikana? ""
Tähän kysymykseen O'Donnell ja muut yhteistyökumppanit toivovat vastaavan. Kahden viime vuoden aikana heidän ryhmänsä on kerännyt ja analysoinut tietoja CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Harvinaisten tapahtumien) kokeilusta Gran Sasso-kansallislaboratoriossa Italiassa etsien tupakointipistoolia, joka laittaisi tämän kosmisen mysteerin lepoon.
Pikku neutraaleja
CUORE, joka italian kielellä tarkoittaa "sydän", etsii todisteita siitä, että vaikeasti saavutettavat alaatomiset hiukkaset, joita kutsutaan neutriinoiksi, ovat heidän omaa hiukkastensa vastaista, mitä fyysikot kutsuvat Majorana-hiukkasiksi. Neutriinoja, jotka kulkevat kuin kiusaajat suurimman osan asiasta, on erittäin vaikea havaita. Itse asiassa NASA: n mukaan triljoonat aurinkoomme tulisesta ydinuunista peräisin olevat neutriinot kulkevat kehomme läpi joka toinen.
CUORE-kokeilu etsii Majorana-neutriinojen allekirjoitusta tuhoamaan toisiaan prosessissa, jota kutsutaan neutriinoittomaksi kaksois-beeta-hajoamiseksi. Tavallisessa kaksois-beeta-hajoamisessa kaksi atomin ytimen sisällä olevaa neutronia morfoi samanaikaisesti kahteen protoniin, emittoiden parin elektroneja ja antineutrinoja. Tätä ydotapahtumaa, vaikka se on erittäin harvinaista ja tapahtuu vain kerran sadasta kvintillionia (10 ^ 20) yksittäisen atomin kohdalla, on havaittu tosielämässä.
Jos tutkijat ovat kuitenkin oikein ja neutriinot ovat todellisia majoranapartikkeleita (ne ovat heidän omia hiukkasiaan), silloin kaksi rappeutumisen aikana syntynyttä antineutrinoa voisi tuhota toisiaan ja luoda neutriinoittoman kaksois-beeta-hajoamisen. Lopputulos? Vain elektronit, jotka ovat "tavallista ainetta". Jos tämä prosessi osoittautuu totta, se voi olla vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden siementtämisestä tavallisella aineella. Tämän prosessin tarkkailu on kuitenkin toinen tarina. Tutkijoiden arvioiden mukaan neutriinoittumaton kaksoisbeetahajoaminen (jos sitä on lainkaan) voi tapahtua vain kerran joka seitsemän seitsemänionin vuoden välein (10 ^ 25).
"Neutrinoless-tila on sellainen, jonka todella haluamme nähdä, se rikkoisi sääntöjä ja tekisi aineen ilman antimateriaa", sanoi C'ORE-yhteistyön jäsen O'Donnell. "Se olisi ensimmäinen vihje todelliselle ratkaisulle aineen ja antimaterian epäsymmetrialle."
CUORE-ilmaisin etsii energian allekirjoitusta lämmön muodossa telluuriatomien radioaktiivisen hajoamisen aikana syntyneistä elektroneista. Neutrinoless double-beeta-hajoaminen jättäisi ainutlaatuisen ja erotettavissa olevan piikin elektronien energiaspektrissä.
"CUORE on pohjimmiltaan yksi maailman herkeimmistä lämpömittareista", Carlo Bucci, CUORE-yhteistyön tekninen koordinaattori, sanoi lausunnossaan.
Yli vuosikymmenen aikana koottu CUORE-instrumentti on tunnetun maailmankaikkeuden kylmin kuutiometriä. Se koostuu 988 kuutionmuotoisesta, telluuridioksidista valmistetusta kiteestä, joka on jäähdytetty 10 milli-kelviniin tai miinus 460 asteeseen Fahrenheit (miinus 273 astetta), vain hiukset, jotka ovat fyysisen kylmin lämpötilan yläpuolella. Kokeen suojaamiseksi ulkopuolisten hiukkasten, kuten kosmisten säteiden aiheuttamilta häiriöiltä, ilmaisin on koteloitu paksua kerrosta erittäin puhdasta lyijyä, joka on otettu talteen 2 000-vuotiaasta roomalaisesta haaksirikosta.
Ryhmän teknologisista saavutuksista huolimatta neutrinoottoman tapahtuman löytäminen on osoittautunut helpoksi tehtäväksi. Tutkijat ovat yli nelinkertaistaneet kerätyn datan alkuperäisten tulostensa jälkeen vuodesta 2017, mikä on suurin tietoaineisto, jonka kaikenlainen hiukkasdetektori on koskaan kerännyt. Heidän viimeisimmät tulokset, jotka on julkaistu esipainetietokannassa arXiv, osoittavat, että he eivät löytäneet todisteita neutriinoittomasta kaksois-beeta-hajoamisesta.
Yhteistyö on edelleen päättänyt metsästää tätä vaikeasti tupla-agenttihiukkasta. Niiden tulokset ovat panneet tiukemman sidoksen majorana-neutriinon odotettuun massaan, joka heidän mielestään on vähintään 5 miljoonaa kertaa kevyempi kuin elektroni. Tiimillä on aikomus päivittää CUORE alkuperäisen viisivuotiskautensa jälkeen ottamalla käyttöön uuden tyyppinen kristalli, jonka toivotaan parantavan huomattavasti sen herkkyyttä.
"Jos historia on hyvä ennustaja tulevaisuudelle, niin voimme olla melko varmoja, että ilmaisintekniikoiden vaipan työntäminen antaa meille mahdollisuuden tutkia neutriinoja jatkuvasti kasvavalla syvyydellä", O'Donnell sanoi. "Toivottavasti löydämme neutriinoittoman kaksois-beetahajoamisen tai ehkä jotain eksoottisempaa ja odottamatonta."
