От години международен екип от изследователи се крие дълбоко под планина в централна Италия, неуморно събирайки най-чувствителните измервания от най-студения кубичен метър в известната вселена. Учените търсят доказателства, че призрачните частици, наречени неутрино, са неразличими от техните собствени антиматериални колеги. Ако бъде доказано, откритието може да разреши космически главоблъсканица, която мъчи физиците от десетилетия: Защо материята изобщо съществува?
Те отдавна знаят, че материята има зъл близнак, наречен антиматерия. За всяка основна частица във Вселената съществува античастица, която е почти идентична с нейния брат, със същата маса, но с противоположен заряд. Когато частица и античастица се срещнат лице в лице, те унищожават взаимно, създавайки чиста енергия.
„Имаме тази очевидна пълна симетрия на счетоводството между материя и антиматерия“, заяви пред Live Science Томас О’Донъл, професор по физика в Университета „Вирджиния Тех“. "Всеки път, когато правите парче материя, правите и балансиращо парче антиматерия. Всеки път, когато унищожавате парче материя, трябва да унищожите парче антиматерия. Ако това е вярно, никога не можете да имате повече от един тип от другия. "
Тази симетрия противоречи на настоящото ни разбиране за това как е започнала Вселената. Според теорията за големия взрив, когато Вселената се разширява от безкрайно малка сингулярност преди около 13,8 милиарда години, се смята, че са възникнали равни количества материя и антиматерия. Въпреки това, когато астрономите погледнат в Космоса днес, Вселената е съставена почти изцяло от материя, като нито един от злите й близнаци не се вижда. По-тревожно е, ако теорията за Големия взрив е вярна, тогава ние - да, хора - не бива да сме тук днес.
"Ако материята и антиматерията напълно се подчиняват на тази симетрия, тогава с развитието на космоса цялата материя и антиматерия биха се унищожили във фотони и няма да остане никаква материя за звезди, планети или дори човешки клетки. Няма да съществуваме!" - каза О'Донъл. „Големият въпрос е следният:„ Тази счетоводна схема наруши ли по някое време по време на еволюцията на Вселената? “
Този въпрос е, на който О'Донъл и неговите сътрудници се надяват да отговорят. През последните две години техният екип събира и анализира данни от експеримента CUORE (Криогенна подземна обсерватория за редки събития) в Националната лаборатория Гран Сасо в Италия, търсейки пушечния пистолет, който би оставил тази космическа мистерия да почива.
Малките неутрални
CUORE, което на италиански означава „сърце“, търси доказателства, че неуловимите субатомни частици, наречени неутрино, са тяхна собствена античастица, както физиците наричат мажорана частица. Неутрино, които преминават като призраци през повечето материи, са изключително трудни за откриване. Всъщност според НАСА трилиони неутрино, произхождащи от огнената ядрена пещ на нашето слънце, минават през телата ни всяка секунда.
Експериментът CUORE търси подписа на неутроните от майорана, които се унищожават взаимно в процес, наречен неутрино без двоен бета-разпад. При обикновен двоен бета-разпад два неутрона вътре в ядрото на атом едновременно се преобразуват в два протона, излъчвайки двойка електрони и антинейтрино. Това ядрено събитие, въпреки че е изключително рядко и се среща само веднъж на всеки 100 квинтилионни години (10 ^ 20) за отделен атом, е наблюдавано в реалния живот.
Ако обаче изследователите са правилни и неутрино са истински частици от майорана (те са тяхна собствена античастица), тогава двата антинейтрино, създадени по време на разпада, могат да се унищожат взаимно и да създадат неутрино бездвойно бета-разпад. Резултатът? Просто електрони, които са "обикновена материя". Ако този процес се окаже истина, той може да е отговорен за засяването на ранната Вселена с обикновена материя. Наблюдаването на този процес обаче е друга история. Учените преценяват, че неутрино бездвоено-бета разпад (ако изобщо съществува) може да се извърши само веднъж на всеки 10 септилион години (10 ^ 25).
"Режимът на неутрино е този, който наистина искаме да видим, той би нарушил правилата, създавайки материя без антиматерия", каза О'Донъл, който е член на сътрудничеството в CUORE. "Това би било първата улика за реално решение на асиметрията на материята-антиматерия."
Детекторът CUORE търси енергийния подпис под формата на топлина от електроните, създадени по време на радиоактивно разпадане на атомите на телура. Неутрино-бета-бета разпад би оставил уникален и различим пик в енергийния спектър на електроните.
"CUORE по същество е един от най-чувствителните термометри в света", казва в изявление Карло Бучи, технически координатор за сътрудничество на CUORE.
Сглобен през десетилетие, инструментът CUORE е най-студеният кубичен метър в известната вселена. Състои се от 988 кристала с форма на куб, направени от телуриев диоксид, охладени до 10 мили-келвина или минус 460 градуса по Фаренхайт (минус 273 градуса по Целзий), само косъм над най-студената температура физика ще позволи. За да предпази експеримента от намеса от външни частици като космически лъчи, детекторът е затворен в дебел слой високо чист олово, извлечен от римска корабокрушение на 2 000 години.
Въпреки технологичните постижения на екипа, намирането на събитието без неутрино се оказа не лесна задача. Изследователите са повече от утроили събраните данни от първоначалните си резултати през 2017 г., представляващи най-големия набор от данни, събран някога от детектор на частици по рода си. Последните им резултати, публикувани в базата данни за препринтиране arXiv, показват, че не са открили доказателства за неутрино бездвоено-бета разпад.
Сътрудничеството все още е решено да открие тази неуловима частица с двоен агент. Резултатите от тях са поставили по-строга връзка с очакваната маса на неутрино от Мажорана, която според тях е поне 5 милиона пъти по-лека от електрон. Екипът има планове за надграждане на CUORE след първоначалното си петгодишно изпълнение, въвеждайки нов тип кристал, който се надяват значително да подобри неговата чувствителност.
"Ако историята е добър предсказател за бъдещето, тогава можем да бъдем доста сигурни, че натискането на обвивката на детекторните технологии ще ни позволи да изследваме неутрино с непрекъснато нарастваща дълбочина", каза О'Донъл. "Да се надяваме, че ще открием неутрино бездвоено бета-разпад или може би нещо по-екзотично и неочаквано."
