I årevis har et internasjonalt team av forskere gjemt seg dypt under et fjell i det sentrale Italia, utrettelig å samle de mest følsomme målingene fra den kaldeste kubikkmeteren i det kjente universet. Forskerne søker etter bevis for at spøkelsesaktige partikler som kalles nøytrinoer, ikke kan skilles fra sine egne antimaterielle kolleger. Hvis det ble bevist, kan oppdagelsen løse et kosmisk conundrum som har plaget fysikere i flere tiår: Hvorfor eksisterer materie i det hele tatt?
De har lenge visst at saken har en ond tvilling kalt antimatter. For hver grunnleggende partikkel i universet eksisterer det en antipartikkel som er nesten identisk med søsken, med samme masse, men motsatt ladning. Når en partikkel og en antipartikkel møtes ansikt til ansikt, ødelegger de hverandre og skaper ren energi.
"Vi har denne tilsynelatende komplette symmetrien om regnskap mellom materie og antimateriell," sa Thomas O'Donnell, professor i fysikk ved Virginia Tech University, til Live Science. "Hver gang du lager et stykke materie, lager du også et balanserende antimateriale, og hver gang du ødelegger et stykke materie, må du ødelegge et stykke antimaterie. Hvis dette er sant, kan du aldri ha mer av en type enn den andre. "
Denne symmetrien er i strid med vår nåværende forståelse av hvordan universet begynte. I følge Big Bang Theory, da universet utvidet seg fra en uendelig singularitet for 13,8 milliarder år siden, antas det at like store mengder materie og antimaterie kom til. Når astronomer ser ut i kosmos i dag, er imidlertid universet nesten utelukkende sammensatt av materie med ingen av dens onde tvillinger i sikte. Mer bekymringsfullt, hvis Big Bang Theory er riktig, bør vi - ja mennesker - ikke være her i dag.
"Hvis materie og antimaterie fullstendig overholder denne symmetrien, da kosmos utviklet seg, ville all materie og antimaterie blitt tilintetgjort til fotoner, og det ville ikke være noe igjen for stjerner, planeter eller til og med menneskelige celler. Vi ville ikke eksistere!" Sa O'Donnell. "Det store spørsmålet er da: 'Brekk dette regnskapsopplegget en gang under universets utvikling?'"
Dette spørsmålet er hva O'Donnell og medarbeidere håper å svare på. I løpet av de siste to årene har teamet deres samlet og analysert data fra CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) ved Gran Sasso National Laboratory i Italia, på jakt etter den røykepistolen som ville få dette kosmiske mysteriet til å hvile.
De små nøytrale
CUORE, som betyr "hjerte" på italiensk, søker etter bevis for at unnvikende subatomære partikler som kalles nøytrinoer er deres egen antipartikkel, det fysikere kaller en Majorana-partikkel. Neutrinoer, som passerer som tilskuere gjennom det meste, er ekstremt vanskelig å oppdage. I følge NASA passerer faktisk billioner av nøytrinoer som stammer fra den brennende atomovnen vår sol gjennom kroppene våre hvert sekund.
CUORE-eksperimentet leter etter signaturen til Majorana nøytrinoer som ødelegger hverandre i en prosess som kalles neutrinoløs dobbelt-beta-forfall. Ved vanlig dobbelt-beta-forfall forandrer to nøytroner i kjernen til et atom seg samtidig til to protoner, som avgir et par elektroner og antineutrino. Denne kjernefysiske hendelsen, selv om den er svært sjelden og forekommer bare en gang hvert 100 kvintillionår (10 ^ 20) for et individuelt atom, er blitt observert i det virkelige liv.
Imidlertid, hvis forskerne har rett og nøytrinoer er sanne Majorana-partikler (de er deres egen antipartikkel), kan de to antineutrinoene som ble opprettet under forfallet ødelegge hverandre og skape et neutrinoløst dobbelt-beta-forfall. Resultatet? Bare elektroner, som er "vanlig materie." Hvis denne prosessen viser seg å være sann, kan den være ansvarlig for å så tidlig universet med vanlig materie. Å observere denne prosessen er imidlertid en annen historie. Forskere estimerer neutrinoløst dobbelt-beta-forfall (hvis det i det hele tatt eksisterer), kan skje bare en gang hvert 10. september år (10 ^ 25).
"Den neutrinoløse modus er den vi virkelig vil se, den ville bryte reglene og skapt materie uten antimaterie," sa O'Donnell, som er medlem av CUORE-samarbeidet. "Det ville være den første ledetråden til en reell løsning av saken-antimateriell asymmetri."
CUORE-detektoren ser etter energisignaturen, i form av varme, fra elektronene som er opprettet under det radioaktive forfallet av telluratomer. Neutrinoløst dobbelt-beta-forfall vil etterlate en unik og karakteristisk topp i elektronspektret.
"CUORE er egentlig en av verdens mest følsomme termometre," sa Carlo Bucci, en teknisk koordinator for CUORE-samarbeidet, i en uttalelse.
Samlet i løpet av et tiår er CUORE-instrumentet den kaldeste kubikkmeteren i det kjente universet. Den består av 988 kubeformede krystaller laget av tellurdioksyd, avkjølt til 10 milli-kelvin, eller minus 460 grader Fahrenheit (minus 273 grader Celsius), bare et hår over den kaldeste temperaturen fysikken vil tillate. For å beskytte eksperimentet mot forstyrrelse av partikler utenfor, for eksempel kosmiske stråler, er detektoren innkapslet i et tykt lag med meget rent bly utvunnet fra et 2000 år gammelt romersk forlis.
Til tross for teamets teknologiske prestasjoner, har det ikke vist seg å være en lett oppgave å finne den neutrinoløse hendelsen. Forskerne har mer enn firedoblet de innsamlede dataene siden de første resultatene i 2017, og representerer det største datasettet som noen gang er samlet inn av en partikkeldetektor i sitt slag. De siste resultatene deres, publisert på forhåndstrykkdatabasen arXiv, viser at de ikke fant noen bevis for neutrinoløst dobbelt-beta-forfall.
Samarbeidet er fortsatt fast bestemt på å jakte på denne unnvikende dobbeltagentpartikkelen. Resultatene deres har satt en strammere grense for den forventede massen til en Majorana-neutrino, som de mener er minst 5 millioner ganger lettere enn et elektron. Teamet har planer om å oppgradere CUORE etter det første femårs løpeturen, og introdusere en ny type krystall som de håper vil forbedre følsomheten.
"Hvis historien er en god prediktor for fremtiden, kan vi være ganske sikre på at å skyve konvolutten til detektorteknologier vil tillate oss å granske nøytrinoer med stadig voksende dybde," sa O'Donnell. "Forhåpentligvis vil vi oppdage neutrinoløst dobbelt-beta-forfall, eller kanskje noe mer eksotisk og uventet."
