Dybt under et bjerg i Italien, i den koldeste kubikmeter af det kendte univers, jager forskere efter bevis for, at spøgelsespartikler kaldet neutrinoer fungerer som deres egne antimaterielle partnere. Hvad disse forskere finder, kunne forklare ubalancen mellem stof og antimaterie i universet.
Indtil videre er de kommet tomhendte op.
De seneste resultater fra de første to måneder af CUORE-eksperimentet (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) i Gran Sasso, Italien, viser ingen antydning til en proces, der beviser, at neutrinoer, der genereres af kosmisk stråling, er deres egne antimaterielle partnere. Dette betyder, at hvis processen finder sted, sker den så sjældent, at den finder sted omtrent hvert 10. september (10 ^ 25) år.
Det ultimative mål med dette eksperiment er at løse en af universets mest varige gåder, og et, der antyder, at vi ikke engang skal være her. Denne gåte findes, fordi den teoretiske Big Bang - hvor det siges, at en lille singularitet har været oppustet over 13,8 milliarder år for at danne universet - burde have resulteret i et univers med 50 procent stof og 50 procent antimaterie.
Når materie og antimaterie mødes, ødelægger de og gør hinanden ikke-eksisterende.
Men det er ikke det, vi ser i dag. I stedet er vores univers for det meste stof, og forskere kæmper for at finde ud af, hvad der skete med alt antimateriet.
Det er her neutrinoer kommer ind.
Hvad er neutrinoer?
Neutrinoer er små elementære partikler med praktisk talt ingen masse. Hver af dem er mindre end et atom, men de er nogle af de mest rigelige partikler i naturen. Som spøgelser kan de passere gennem mennesker og vægge uden at nogen (endda neutrinoerne) bemærker det.
De fleste elementære partikler har et ulige antimateriale modstykke, kaldet en antipartikel, der har den samme masse som sin normalstofpartner, men den modsatte ladning. Men neutrinoer er lidt underlige i sig selv, idet de næppe har nogen masse, og de er chargeless. Så fysikere har antaget, de kunne være deres egne antipartikler.
Når en partikel fungerer som sin egen antipartikel, kaldes den en Majorana-partikel.
"De teorier, som vi i øjeblikket har, fortæller os simpelthen ikke, om neutrinoer er af den Majorana-type. Og det er en meget interessant ting at kigge efter, fordi vi allerede ved, at vi mangler noget ved neutrinoerne," siger den teoretiske fysiker Sabine Hossenfelder, en stipendiat ved Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland, fortalte Live Science. Hossenfelder, der ikke er en del af CUORE, henviser til de bizarre uforklarlige træk ved neutrinoer.
Hvis neutrinoer er Majoranas, ville de være i stand til at skifte mellem stof og antimaterie. Hvis de fleste neutrinoer blev omdannet til almindelig stof ved universets begyndelse, sagde forskerne, kunne dette forklare, hvorfor stof opvejer antimaterien i dag - og hvorfor vi eksisterer.
CUORE-eksperimentet
Det er vanskeligt at studere neutrinoer i et typisk laboratorium, fordi de sjældent interagerer med andet stof og er ekstremt svære at opdage - milliarder passerer gennem dig uopdaget hvert minut. Det er også svært at fortælle dem bortset fra andre strålekilder. Derfor var fysikere nødt til at gå under jorden - næsten en kilometer (1,6 kilometer) under jordoverfladen - hvor en gigantisk stålkugle omslutter en neutrino-detektor, der drives af det italienske nationale institut for nuklearfysik Gran Sasso National Laboratory.
Dette laboratorium er hjemstedet for CUORE-eksperimentet, der leder efter bevis for en proces, der kaldes neutrinoløs dobbelt-beta-forfald - en anden måde at sige, at neutrinoer fungerer som deres egne antipartikler. I en normal dobbelt-beta-henfaldsproces nedbrydes en kerne og udsender to elektroner og to antineutrino. Neutrinoløst dobbelt-beta-henfald ville imidlertid ikke udsende nogen antineutrino, fordi disse antineutrino kunne tjene som deres egne antipartikler og ville udslette hinanden.
I deres forsøg på at "se" denne proces, så fysikerne øje med den udsendte energi (i form af varme) under det radioaktive henfald af en isotop af tellur. Hvis neutrinoløst dobbelt-beta-forfald forekom, ville der være en top ved et bestemt energiniveau.
For nøjagtigt at opdage og måle denne varmeenergi lavede forskerne den koldeste kubikmeter i det kendte univers. De sammenligner det med et enormt termometer med næsten 1.000 krystaller af tellurdioxid (TeO2), der arbejder ved 10 milli-kelvin (mK), hvilket er minus 459.652 grader Fahrenheit (minus 273,14 grader Celsius).
Når det radioaktive telluratomer forfalder, ser disse detektorer efter den energitop.
"Iagttagelsen af, at neutrinoer er deres egne antipartikler, ville være en betydelig opdagelse og kræve, at vi omskriver den almindeligt accepterede standardmodel for partikelfysik. Det vil fortælle os, at der er en ny og anderledes mekanisme til at have masse," studerer forsker Karsten Heeger, professor ved Yale University, fortalte Live Science.
Og selvom CUORE ikke endeligt kan vise, at neutrinoen er dens egen antipartikel, kan teknologien, der anvendes i undersøgelsen, have andre anvendelser, sagde Lindley Winslow, en adjunkt i fysik ved Massachusetts Institute of Technology og en del af CUORE-teamet.
"Teknologien, der afkøler CUORE ned til 10 mK, er den samme, der bruges til at køle superledende kredsløb til kvantecomputering. Den næste generation af kvantecomputere lever muligvis i en CSTORE-stil kryostat. Du kan kalde os tidlige adoptører," sagde Winslow til Live Videnskab.
