I årevis har et internationalt team af forskere gemt sig dybt under et bjerg i det centrale Italien og utrætteligt opsamlet de mest følsomme målinger fra den koldeste kubikmeter i det kendte univers. Forskerne søger bevis for, at spøgelsesagtige partikler kaldet neutrinoer ikke kan skelnes fra deres egne antimateriale kolleger. Hvis det blev bevist, kan opdagelsen løse et kosmisk conundrum, der har plaget fysikere i årtier: Hvorfor findes der overhovedet noget?
De har længe vidst, at sagen har en ond tvilling, der er døbt antimaterie. For hver grundlæggende partikel i universet findes der en antipartikel, der er næsten identisk med dens søskende, med den samme masse, men modsatte ladning. Når en partikel og en antipartikel mødes ansigt til ansigt, ødelægger de hinanden og skaber ren energi.
"Vi har denne tilsyneladende komplette symmetri af regnskab mellem materie og antimaterie," fortalte Thomas O'Donnell, professor i fysik ved Virginia Tech University, til Live Science. "Hver gang du laver et stykke stof, laver du også et afbalancerende stykke antimaterie, og hver gang du ødelægger et stykke stof, skal du ødelægge et stykke antimaterie. Hvis dette er sandt, kan du aldrig have mere af en type end den anden. "
Denne symmetri er i strid med vores nuværende forståelse af, hvordan universet begyndte. Ifølge Big Bang Theory, antages det, at universet ekspanderede fra en uendelig singularitet for ca. 13,8 milliarder år siden, at der kom lige store mængder stof og antimaterie til. Når astronomer imidlertid ser ud i kosmos i dag, er universet næsten udelukkende sammensat af stof uden nogen af dens onde tvillinger i sigte. Mere bekymrende, hvis Big Bang Theory er korrekt, burde vi - ja mennesker - ikke være her i dag.
"Hvis materie og antimaterie fuldt ud overholder denne symmetri, da kosmos udviklede sig, ville al materie og antimaterie være udslettet til fotoner, og der ville ikke være noget stof tilbage til stjerner, planeter eller endda menneskelige celler. Vi ville ikke eksistere!" O'Donnell sagde. "Det store spørgsmål er så: 'Knækkede denne regnskabsordning et eller andet tidspunkt under universets udvikling?'"
Dette spørgsmål er hvad O'Donnell og kolleger samarbejder håber at besvare. I løbet af de sidste to år har deres team indsamlet og analyseret data fra CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) ved Gran Sasso National Laboratory i Italien på udkig efter den rygende pistol, der ville bringe dette kosmiske mysterium til at hvile.
De små neutrale
CUORE, som betyder "hjerte" på italiensk, søger bevis for, at undvigende subatomære partikler kaldet neutrino er deres egen antipartikel, hvad fysikere kalder en Majorana-partikel. Neutrinoer, der passerer som tilskuere gennem det meste stof, er ekstremt svære at opdage. Ifølge NASA passerer faktisk billioner af neutrinoer, der stammer fra den brændende atomovn i vores sol, gennem vores kroppe hvert sekund.
CUORE-eksperimentet ser efter signaturen til Majorana-neutrinoer, der udsletter hinanden i en proces kaldet neutrinoløs dobbelt-beta-forfald. Ved almindeligt dobbelt-beta-forfald morfesteres to neutroner inde i atomens kerne samtidigt i to protoner, hvilket udsender et par elektroner og antineutrino. Selv om denne nukleare begivenhed er meget sjælden og kun forekommer en gang hvert 100 kvintillion år (10 ^ 20) for et individuelt atom, er det blevet observeret i det virkelige liv.
Hvis forskerne dog er korrekte, og neutrinoer er ægte Majorana-partikler (de er deres egen antipartikel), kunne de to antineutrinoer, der blev oprettet under henfaldet, udslette hinanden og skabe et neutrinoløst dobbelt-beta-henfald. Resultatet? Bare elektroner, der er "almindelig stof." Hvis denne proces viser sig at være sand, kan den være ansvarlig for at pode det tidlige univers med almindelig stof. At observere denne proces er imidlertid en anden historie. Forskere vurderer neutrinoløst dobbelt-beta-forfald (hvis det overhovedet findes), kan finde sted en gang i hvert 10. september år (10 ^ 25).
"Den neutrinoløse tilstand er den, vi virkelig ønsker at se, den ville bryde reglerne og skabe stof uden antimaterie," sagde O'Donnell, der er medlem af CUORE-samarbejdet. "Det ville være den første ledetråd til en reel løsning af den materie-antimaterielle asymmetri."
CUORE-detektoren ser efter energisignaturen i form af varme fra de elektroner, der er oprettet under radioaktivt henfald af telluratomer. Neutrinoløst dobbelt-beta-henfald vil efterlade en unik og adskillelig top i elektronernes energispektrum.
"CUORE er i det væsentlige en af verdens mest følsomme termometre," sagde Carlo Bucci, en teknisk koordinator for CUORE-samarbejdet, i en erklæring.
Samlet over et årti er CUORE-instrumentet den koldeste kubikmeter i det kendte univers. Den består af 988 terningformede krystaller lavet af tellurdioxid, afkølet til 10 milli-kelvin eller minus 460 grader Fahrenheit (minus 273 grader Celsius), bare et hår over den koldeste temperatur, som fysik tillader. For at beskytte eksperimentet mod interferens fra udvendige partikler, såsom kosmiske stråler, er detektoren indkapslet i et tykt lag med meget rent bly, der er genvundet fra et 2.000 år gammelt romersk skibsvrag.
På trods af holdets teknologiske resultater har det vist sig at være ingen let opgave at finde den neutrinoløse begivenhed. Forskerne har mere end firedoblet de indsamlede data siden deres oprindelige resultater i 2017, hvilket repræsenterer det største datasæt nogensinde indsamlet af en partikeldetektor i sin art. Deres seneste resultater, der er offentliggjort på preprint-databasen arXiv, viser, at de ikke fandt noget bevis for neutrinoløst dobbelt-beta-forfald.
Samarbejdet er stadig fast besluttet på at jage denne undvigende dobbeltagentpartikel. Deres resultater har lagt et tættere bund på den forventede masse af en Majorana neutrino, som de mener er mindst 5 millioner gange lettere end et elektron. Holdet har planer om at opgradere CUORE efter dets første femårs løb og introducere en ny type krystal, som de håber, vil enormt forbedre dens følsomhed.
"Hvis historien er en god forudsigelse af fremtiden, kan vi være temmelig sikre på, at skubbe på konvolutten af detektorteknologier vil give os mulighed for at undersøge neutrinoer med en stadig voksende dybde," sagde O'Donnell. "Forhåbentlig vil vi opdage neutrinoløst dobbelt beta-forfald, eller måske noget mere eksotisk og uventet."
