Djupt under ett berg i Italien, i den kallaste kubikmeter i det kända universum, jakter forskare efter bevis för att spöklika partiklar som kallas neutrinoer fungerar som deras egna antimateriella partners. Vad dessa forskare finner kan förklara obalansen mellan materia och antimateria i universum.
Hittills har de kommit tomhänt.
De senaste resultaten från de första två månaderna av CUORE-experimentet (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) i Gran Sasso, Italien, visar inga ledtrådar om en process som bevisar neutrino, som genereras av kosmisk strålning, är deras egna antimateriella partners. Detta innebär att om processen inträffar händer det så sällan att det sker ungefär var 10: e september (10 ^ 25) år.
Det ultimata målet med detta experiment är att lösa en av universumets mest bestående gåtor, och ett som antyder att vi inte ens ska vara här. Denna gåta finns för att den teoretiska Big Bang - där en liten singularitet sägs ha blåst upp över 13,8 miljarder år eller så för att bilda universum - borde ha resulterat i ett universum med 50 procent materia och 50 procent antimateria.
När materia och antimateria möts, förintas de och gör varandra obefintliga.
Men det är inte det vi ser idag. Istället är vårt universum mestadels materia, och forskare kämpar för att upptäcka vad som hände med alla antimatter.
Det är där neutrinoer kommer in.
Vad är neutrino?
Neutrino är små elementära partiklar med praktiskt taget ingen massa. Var och en är mindre än en atom, men de är några av de mest rikliga partiklarna i naturen. Liksom spöken kan de passera genom människor och murar utan att någon (till och med neutrinoerna) märker det.
De flesta elementära partiklar har en udda antimateriell motsvarighet, kallad en antipartikel, som har samma massa som sin normalmaterialpartner men motsatt laddning. Men neutrinoer är lite udda på egen hand, i det att de knappast har någon massa, och de är chargeless. Så fysiker har antagit att de kan vara deras egna antipartiklar.
När en partikel fungerar som sin egen antipartikel kallas den en Majorana-partikel.
"De teorier som vi för närvarande har helt enkelt säger inte om neutrinoer är av den typen av Majorana. Och det är en mycket intressant sak att leta efter, för vi vet redan att vi saknar något om neutrinoerna," säger teoretiska fysiker Sabine Hossenfelder, en kollega vid Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland, berättade för Live Science. Hossenfelder, som inte är en del av CUORE, hänvisar till de bisarra, oförklarade kännetecknen hos neutrino.
Om neutrinoer är Majoranas, skulle de kunna övergå mellan materia och antimateria. Om de flesta neutrinoer omvandlades till vanlig materia vid universumets början, sa forskarna, kan detta förklara varför materien uppväger antimaterialet idag - och varför vi existerar.
CUORE-experimentet
Att studera neutrinoer i ett typiskt laboratorium är svårt, eftersom de sällan interagerar med andra ämnen och är extremt svåra att upptäcka - miljarder passerar dig oupptäckta varje minut. Det är också svårt att skilja dem bortsett från andra strålningskällor. Därför behövde fysiker gå under jord - nästan en mil (1,6 kilometer) under jordens yta - där en jätte stålkula omsluter en neutrino-detektor som drivs av det italienska National Institute for Nuclear Physics Gran Sasso National Laboratory.
Detta laboratorium är hemmet för CUORE-experimentet, som letar efter bevis för en process som kallas neutrinolös dubbel-beta-förfall - ett annat sätt att säga neutrinoer fungerar som sina egna antipartiklar. I en normal dubbel-beta-sönderfallsprocess avtar en kärna två elektroner och två antineutrino. Emellertid skulle neutrinolös dubbel-beta-sönderfall inte släppa ut några antineutrino, eftersom dessa antineutrino kan tjäna som sina egna antipartiklar och skulle förstöra varandra.
I sitt försök att "se" denna process såg fysikerna på energin som släppts ut (i form av värme) under det radioaktiva förfallet av en isotop av tellur. Om neutrinolös dubbel-beta-sönderfall inträffade skulle det vara en topp vid en viss energinivå.
För att exakt upptäcka och mäta denna värmeenergi skapade forskarna den kallaste kubikmeter i det kända universum. De jämför den med en enorm termometer med nästan 1 000 kristaller tellurdioxid (TeO2) som arbetar vid 10 milli-kelvin (mK), vilket är minus 459,652 grader Fahrenheit (minus 273,14 grader Celsius).
När de radioaktiva telluratomerna förfaller letar dessa detektorer efter den energitoppen.
"Observationen att neutrino är deras egna antipartiklar skulle vara en betydande upptäckt och kräver att vi skriver om den vanligt accepterade standardmodellen för partikelfysik. Det skulle säga att det finns en ny och annan mekanism för att material ska ha massa," undersöker forskaren Karsten Heeger, professor vid Yale University, berättade för Live Science.
Och även om CUORE inte definitivt kan visa att neutrino är en egen antipartikel, kan tekniken som används i studien ha andra användningsområden, säger Lindley Winslow, biträdande professor i fysik vid Massachusetts Institute of Technology och del av CUORE-teamet.
"Tekniken som kyler CUORE ner till 10 mK är densamma som används för att kyla superledande kretsar för kvantberäkning. Nästa generation av kvantdatorer kan leva i en CSTORE-stil kryostat. Du kan kalla oss tidiga adoptörer," sa Winslow till Live Vetenskap.
