Godinama se međunarodni tim istraživača skrivao duboko ispod planine u središnjoj Italiji, neumorno je skupljajući najosjetljivija mjerenja iz najhladnijeg kubičnog metra u poznatom svemiru. Znanstvenici traže dokaze da se sablasne čestice zvane neutrini ne razlikuju od vlastitih kolega za antimaterije. Ako se dokaže, otkriće bi moglo riješiti kozmičku zagonetku koja desetljećima muči fizičare: Zašto materija uopće postoji?
Odavno znaju da tvar ima zlu dvostruku antimateriju. Za svaku temeljnu česticu u svemiru postoji anti čestica koja je gotovo identična njegovoj braći, s istom masom, ali suprotnim nabojem. Kad se čestica i anti čestica susretnu licem u lice, one uništavaju jedna drugu, stvarajući čistu energiju.
"Imamo ovu prividnu potpunu simetriju obračuna između materije i antimaterije", rekao je Thomas O'Donnell, profesor fizike na Sveučilištu Virginia Tech, Live Science. "Svaki put kada napravite komadić stvari, napravite i komad antimaterije koji uravnotežuje, i svaki put kada uništite komadić antimaterije, morate uništiti i komad antimaterije. Ako je to istina, nikada ne možete imati više vrste nego drugi. "
Ta se simetrija ne podudara s našim trenutnim shvaćanjem kako je svemir počeo. Prema teoriji Velikog praska, kada se svemir proširio od beskonačne minimalne singularnosti prije otprilike 13,8 milijardi godina, vjeruje se da su postojale jednake količine materije i antimaterije. Međutim, kada astronomi danas pogledaju u kosmos, svemir je gotovo u potpunosti sastavljen od materije, a niti jedan njegov zli blizanac nije na vidiku. Još zabrinjavajuće, ako je teorija Velikog praska tačna, mi - da, ljudi - danas ne bismo trebali biti ovdje.
"Da se materija i antimaterija u potpunosti pokore ovoj simetriji, kako bi se kosmos razvio, sva se materija i antimaterija uništile u fotone i ne bi preostalo ništa za zvijezde, planete ili čak ljudske stanice. Ne bismo postojali!" Rekao je O'Donnell. „Veliko je pitanje tada:„ Je li se ova računovodstvena shema prekinula negdje tijekom evolucije svemira? “
To je pitanje na što se O'Donnell i njegovi suradnici nadaju odgovoriti. U protekle dvije godine njihov je tim prikupljao i analizirao podatke iz eksperimenta CUORE (Kriogeni podzemni opservatorij za rijetke događaje) u Nacionalnom laboratoriju Gran Sasso u Italiji, tražeći pušku za pušenje koja bi ovu kozmičku misteriju ostavila na miru.
Mali neutralni
CUORE, što na talijanskom znači "srce", traži dokaze da su neuhvatljive subatomske čestice nazvane neutrini vlastita antičestica, što fizičari nazivaju majoranskom česticom. Neutrine koji prolaze poput spektra kroz većinu materije izuzetno je teško detektirati. U stvari, prema NASA-i, bililiji neutrina koji potječu iz vatrene nuklearne peći našeg sunca svake sekunde prolaze kroz naša tijela.
Eksperiment CUORE traži potpis majoranskih neutrina koji se međusobno uništavaju u procesu koji se zove neutrino dvostruko beta raspadanje. U uobičajenom dvostrukom beta raspadu, dva neutrona unutar jezgre atoma pretvaraju se u dva protona, emitujući par elektrona i antineutrino. Ovaj nuklearni događaj, premda izuzetno rijedak i koji se događa samo jednom svakih 100 kvintilionskih godina (10 ^ 20) za pojedini atom, primijećen je u stvarnom životu.
Međutim, ako su istraživači ispravni i neutrini su istinske majoranske čestice (oni su njihova antičestica), tada bi dva antineutrina stvorena tijekom propadanja mogla uništiti jedni druge i stvoriti neutralan dvostruki beta-raspad. Rezultat? Samo elektroni, koji su "obična materija". Ako se ovaj postupak pokaže istinitim, možda je odgovoran za sejanje ranog svemira običnom materijom. Međutim, promatranje ovog procesa je druga priča. Znanstvenici procjenjuju da se dvostruko beta beta raspadanje može neutrinovati (ako uopće postoji), može se dogoditi samo jednom u svakih 10 septilijonskih godina (10 ^ 25).
"Neutralan način je onaj koji stvarno želimo vidjeti, on bi prekršio pravila, stvarajući materiju bez antimaterije", rekao je O'Donnell, koji je član suradnje CUORE. "To bi bio prvi trag za stvarno rješenje asimetrije materije-antimaterije."
Detektor CUORE traži energetski potpis, u obliku topline, od elektrona stvorenih tijekom radioaktivnog raspada atoma telurusa. Dvostruko-beta raspadanje bez neutrina ostavljalo bi jedinstven i prepoznatljiv vrh u energetskom spektru elektrona.
"CUORE je, u osnovi, jedan od najosjetljivijih termometara na svijetu," rekao je Carlo Bucci, tehnički koordinator za suradnju CUORE-a.
Sklopljen tijekom desetljeća, instrument CUORE najhladniji je kubični metar u poznatom svemiru. Sastoji se od 988 kristala u obliku kocke izrađenih od telur dioksida, ohlađenih na 10 mili-kelvina ili minus 460 stupnjeva Farenhajta (minus 273 stupnja Celzija), samo kosa iznad temperature najhladnije temperature dopušta. Da bi se pokušaj zaštitio od interferencije vanjskih čestica poput kozmičkih zraka, detektor je smješten u debelom sloju visoko čistog olova oporavljenog iz rimskog brodoloma starog 2000 godina.
Unatoč tehnološkim postignućima tima, pronalazak neutrinog događaja pokazalo se da nije lak zadatak. Istraživači su više nego udvostručili prikupljene podatke od svojih početnih rezultata u 2017. godini, što predstavlja najveći skup podataka ikada prikupljen takvim detektorom čestica. Njihovi najnoviji rezultati, objavljeni u bazi podataka prije pretiska arXiv, pokazuju da nisu pronašli dokaze dvostrukog beta raspada bez neutrina.
Suradnja je još uvijek odlučna u potrazi za ovom neuhvatljivom česticom dvostrukog agensa. Njihovi rezultati čvrsto su se vezali za očekivanu masu majoranskog neutrina za koji smatraju da je najmanje 5 milijuna puta lakši od elektrona. Tim planira nadograditi CUORE nakon početnog petogodišnjeg trčanja, uvodeći novu vrstu kristala za koji se nadaju da će uvelike poboljšati njegovu osjetljivost.
"Ako je povijest dobar prediktor budućnosti, onda možemo biti prilično sigurni da će nam potiskivanje omotača detekcijskih tehnologija omogućiti pregled neutrina sa sve većom dubinom", rekao je O'Donnell. "Nadamo se da ćemo otkriti neutrino dvostruko beta raspadanje ili možda nešto egzotičnije i neočekivanije."
