I flera år har ett internationellt team av forskare gömt sig djupt under ett berg i centrala Italien och outtröttligt samlat de mest känsliga mätningarna från den kallaste kubikmeter i det kända universum. Forskarna letar efter bevis för att spöklika partiklar som kallas neutrino kan inte skiljas från sina egna antimateriella motsvarigheter. Om bevisat, kan upptäckten lösa ett kosmiskt förhållande som har plågat fysiker i årtionden: Varför existerar materia alls?
De har länge vetat att materien har en ond tvilling som kallas antimateria. För varje grundläggande partikel i universum finns det en antipartikel som är nästan identisk med dess syskon, med samma massa men motsatt laddning. När en partikel och en antipartikel möts ansikte mot ansikte, förintas de varandra och skapar ren energi.
"Vi har denna uppenbara kompletta symmetri av redovisning mellan materia och antimateria," sa Thomas O'Donnell, professor i fysik vid Virginia Tech University, till Live Science. "Varje gång du gör ett ämne, gör du också en balanserande bit antimateria, och varje gång du förstör ett ämne, måste du förstöra en bit antimateria. Om detta är sant kan du aldrig ha mer av en typ än den andra. "
Denna symmetri är i strid med vår nuvarande förståelse av hur universum började. Enligt Big Bang Theory, när universum expanderade från en infinitesimal singularitet för cirka 13,8 miljarder år sedan, antas det att lika stora mängder materia och antimateriel kom till. Men när astronomer tittar ut i kosmos idag består universum nästan helt av materia utan någon av dess onda tvillingar i sikte. Mer oroande, om Big Bang Theory är korrekt, borde vi - ja, människor - inte vara här idag.
"Om materia och antimateria helt följer denna symmetri, då kosmos utvecklats, skulle all materia och antimateria ha förintats till fotoner och det skulle inte finnas något kvar för stjärnor, planeter eller till och med mänskliga celler. Vi skulle inte existera!" Sa O'Donnell. "Den stora frågan är då:" Bröts detta bokföringssystem någon gång under universumets utveckling? "
Den frågan är vad O'Donnell och kollegor samarbetar hoppas kunna svara på. Under de senaste två åren har deras team samlat in och analyserat data från CUORE-experimentet (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) vid Gran Sasso National Laboratory i Italien och letar efter rökpistolen som skulle sätta detta kosmiska mysterium att vila.
De små neutrala
CUORE, som betyder "hjärta" på italienska, letar efter bevis för att svårfångade subatomära partiklar som kallas neutrino är deras egna antipartikel, vad fysiker kallar en Majorana-partikel. Neutrino, som passerar som åskådare genom de flesta ämnen, är extremt svåra att upptäcka. I själva verket, enligt NASA, passerar biljoner neutrinoer som härstammar från vår eldiga kärnugn genom vår kropp varje sekund.
CUORE-experimentet letar efter signaturen för Majorana-neutrinoer som förintar varandra i en process som kallas neutrinolös dubbel-beta-förfall. Vid vanligt dubbel-beta-förfall förändras två neutroner inuti en atomkärna samtidigt till två protoner, som avger ett par elektroner och antineutrino. Denna kärnkraftshändelse, även om den är oerhört sällsynt och inträffar endast en gång vart 100 kvintillionår (10 ^ 20) för en individuell atom, har observerats i verkligheten.
Men om forskarna är korrekta och neutrinoer är sanna Majorana-partiklar (de är deras egna antipartikel), kan de två antineutrinoerna som skapades under förfallet förstöra varandra och skapa ett neutrinolöst dubbel-beta-förfall. Resultatet? Bara elektroner, som är "vanlig materia." Om det visar sig att den här processen är sant, kan den vara ansvarig för att se det tidiga universum med vanlig materia. Att observera denna process är dock en annan historia. Forskare uppskattar neutrinolös dubbel-beta-sönderfall (om det finns alls), kan ske en gång var tionde septemberår (10 ^ 25).
"Det neutrinolösa läget är det vi verkligen vill se, det skulle bryta reglerna och skapa materia utan antimateria," sa O'Donnell, som är medlem i CUORE-samarbetet. "Det skulle vara den första ledtråden till en verklig lösning av material-antimateriell asymmetri."
CUORE-detektorn letar efter energisignaturen, i form av värme, från de elektroner som skapats under radioaktivt sönderfall av telluratomer. Neutrinoless dubbel-beta-förfall skulle lämna en unik och urskiljbar topp i elektronernas energispektrum.
"CUORE är i huvudsak en av världens mest känsliga termometrar," sade Carlo Bucci, en teknisk koordinator för CUORE-samarbetet, i ett uttalande.
Sammantaget under ett decennium är CUORE-instrumentet den kallaste kubikmeter i det kända universum. Den består av 988 kubformade kristaller gjorda av tellurdioxid, kylda till 10 milli-kelvin eller minus 460 grader Fahrenheit (minus 273 grader Celsius), bara ett hår över den kallaste temperaturen som fysiken tillåter. För att skydda experimentet från störningar från utsidan av partiklar som kosmiska strålar, är detektorn innesluten i ett tjockt lager av mycket rent bly som återvinns från ett 2000 år gammalt romerskt skeppsbrott.
Trots teamets tekniska framsteg har det visat sig vara ingen enkel uppgift att hitta den neutrolenösa händelsen. Forskarna har mer än fördubblat den insamlade informationen sedan deras första resultat 2017, vilket representerar det största datasättet som någonsin har samlats in av en partikeldetektor i sitt slag. Deras senaste resultat, publicerade på preprint-databasen arXiv, visar att de inte hittade några bevis på neutrinolös dubbel-beta-sönderfall.
Samarbetet är fortfarande fast beslutet att jaga upp denna svårfångade partikel med dubbla medel. Deras resultat har lagt en hårdare gräns för den förväntade massan av en Majorana neutrino, som de tror är minst 5 miljoner gånger lättare än en elektron. Teamet har planer på att uppgradera CUORE efter sin första femårsperiod och introducera en ny typ av kristall som de hoppas kommer att förbättra dess känslighet.
"Om historien är en bra förutsägare för framtiden, kan vi vara ganska säkra på att genom att trycka på kuvertet med detektorteknologier kan vi granska neutrinoer med allt växande djup," sa O'Donnell. "Förhoppningsvis kommer vi att upptäcka neutrinolös dubbel-beta-sönderfall, eller kanske något mer exotiskt och oväntat."
