Dypt under et fjell i Italia, i den kaldeste kubikkmeteren av det kjente universet, jakter forskere på bevis for at spøkelsesaktige partikler som kalles nøytrinoer fungerer som deres egne antimaterielle partnere. Hva disse forskerne finner kunne forklare ubalansen mellom materie og antimaterie i universet.
Så langt har de kommet tomhendte opp.
De siste resultatene fra de to første månedene av CUORE-eksperimentet (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) i Gran Sasso, Italia, viser ingen antydning til en prosess som beviser nøytrinoer, som er generert av kosmisk stråling, er deres egne antimateriellpartnere. Dette betyr at hvis prosessen skjer, skjer det så sjelden at den foregår omtrent en gang hvert 10. september (10 ^ 25) år.
Det endelige målet med dette eksperimentet er å løse en av universets mest varige gåter, og en som antyder at vi ikke en gang skal være her. Den gåten eksisterer fordi den teoretiske Big Bang - der en liten singularitet sies å ha oppblåst over 13,8 milliarder år eller så for å danne universet - burde ha resultert i et univers med 50 prosent materie og 50 prosent antimaterie.
Når materie og antimaterie møtes, ødelegger de og gjør hverandre ikke-eksisterende.
Men det er ikke det vi ser i dag. I stedet er universet mest materie, og forskere sliter med å oppdage hva som skjedde med alt antimateriet.
Det er der nøytrinoer kommer inn.
Hva er nøytrinoer?
Neutrino er små elementære partikler med praktisk talt ingen masse. Hver og en er mindre enn et atom, men de er noen av de mest tallrike partiklene i naturen. Som spøkelser kan de passere gjennom mennesker og vegger uten at noen (til og med nøytrinoene) legger merke til det.
De fleste elementære partikler har en merkelig antimateriell motstykke, kalt en antipartikkel, som har samme masse som sin normalstoffpartner, men motsatt ladning. Men nøytrinoer er litt rare på egen hånd, ved at de knapt har noen masse, og de er ladeløse. Så fysikere har antatt at de kan være deres egne antipartikler.
Når en partikkel fungerer som sin egen antipartikkel, kalles den en Majorana-partikkel.
"Teoriene som vi for øyeblikket har, forteller oss ganske enkelt ikke om nøytrinoer er av den typen Majorana. Og det er en veldig interessant ting å se etter, fordi vi allerede vet at vi savner noe om nøytrinoene," sa teoretisk fysiker Sabine Hossenfelder, stipendiat ved Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland, fortalte Live Science. Hossenfelder, som ikke er en del av CUORE, viser til de bisarre, uforklarlige trekk ved nøytrinoer.
Hvis nøytrinoer er Majoranas, vil de kunne overføre mellom materie og antimaterie. Hvis de fleste nøytrinoer omformet til vanlig materie ved universets begynnelse, sa forskerne, kan dette forklare hvorfor materie oppveier antimaterien i dag - og hvorfor vi eksisterer.
CUORE-eksperimentet
Å studere nøytrinoer i et typisk laboratorium er vanskelig, fordi de sjelden samhandler med annen materie og er ekstremt vanskelig å oppdage - milliarder går gjennom deg uoppdaget hvert minutt. Det er også vanskelig å skille dem fra andre strålingskilder. Derfor trengte fysikere å gå under jorden - nesten en kilometer (1,6 kilometer) under jordoverflaten - der en gigantisk stålkule omslutter en nøytrindetektor som drives av det italienske nasjonale instituttet for nukleær fysikk Gran Sasso National Laboratory.
Dette laboratoriet er hjemstedet for CUORE-eksperimentet, som leter etter bevis for en prosess som kalles neutrinoløs dobbelt-beta-forfall - en annen måte å si at nøytrinoer fungerer som deres egne antipartikler. I en normal dobbelt-beta-forfall-prosess forfaller en kjern og sender ut to elektroner og to antineutrino. Imidlertid vil neutrinoløst dobbelt-beta-forfall ikke avgi noen antineutrinoer, fordi disse antineutrinoene kan tjene som deres egne antipartikler og ville ødelegge hverandre.
I sitt forsøk på å "se" denne prosessen, så fysikerne på energien som ble avgitt (i form av varme) under det radioaktive forfallet av en isotop av tellur. Hvis neutrinoløst dobbelt beta-forfall oppstod, ville det være en topp på et visst energinivå.
For nøyaktig å oppdage og måle denne varmeenergien lagde forskerne den kaldeste kubikkmeteren i det kjente universet. De sammenligner det med et enormt termometer med nesten 1 000 krystaller tellurdioksid (TeO2) som opererer ved 10 milli-kelvin (mK), som er minus 459,652 grader Fahrenheit (minus 273,14 grader Celsius).
Når det radioaktive telluratomer forfaller, ser disse detektorene etter den energitoppen.
"Observasjonen om at nøytrinoer er deres egne antipartikler ville være en betydelig oppdagelse og krever at vi omskriver den ofte aksepterte standardmodellen for partikkelfysikk. Den vil fortelle oss at det er en ny og annen mekanisme for materie å ha masse," studerer forsker Karsten Heeger, professor ved Yale University, fortalte Live Science.
Og selv om CUORE ikke definitivt kan vise at nøytrinoen er sin egen antipartikkel, kan teknologien som brukes i studien ha andre bruksområder, sa Lindley Winslow, en adjunkt i fysikk ved Massachusetts Institute of Technology og en del av CUORE-teamet.
"Teknologien som kjøler CUORE ned til 10 mK, er den samme som brukes til å avkjøle superledende kretsløp for kvanteberegning. Neste generasjon av kvantecomputere kan leve i en kryostat som CUORE-stil. Du kan kalle oss tidlige adoptere," sa Winslow til Live Vitenskap.
