Εδώ και χρόνια, μια διεθνής ομάδα ερευνητών έχει κρυφτεί βαθιά κάτω από ένα βουνό στην κεντρική Ιταλία, συλλέγοντας ακέραια τις πιο ευαίσθητες μετρήσεις από το ψυχρότερο κυβικό μέτρο στο γνωστό σύμπαν. Οι επιστήμονες ψάχνουν για στοιχεία που δείχνουν ότι τα φαινομενικά σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα είναι αδιαίρετα από τα δικά τους αντισώματα αντιύλης. Αν αποδειχθεί, η ανακάλυψη θα μπορούσε να επιλύσει ένα κοσμικό αίνιγμα που έχει μαστίσει τους φυσικούς για δεκαετίες: Γιατί η ύλη υπάρχει καθόλου;
Έχουν από καιρό γνωστό ότι η ύλη έχει ένα κακό δίδυμο αντιγραφικό. Για κάθε θεμελιώδες σωματίδιο στο σύμπαν, υπάρχει ένα αντισωματίδιο που είναι σχεδόν πανομοιότυπο με το αδελφό του, με την ίδια μάζα αλλά με αντίθετο φορτίο. Όταν ένα σωματίδιο και ένα αντι-σωματίδιο συναντιούνται πρόσωπο με πρόσωπο, εκμηδενίζουν ο ένας τον άλλο, δημιουργώντας καθαρή ενέργεια.
"Έχουμε αυτή την προφανή πλήρη συμμετρία της λογιστικής μεταξύ ύλης και αντιύλης", δήλωσε ο Thomas O'Donnell, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Virginia Tech, στο Live Science. «Κάθε φορά που κάνετε ένα κομμάτι ύλης, κάνετε επίσης ένα εξισορροπητικό κομμάτι της αντιύλης και κάθε φορά που καταστρέφετε ένα κομμάτι της ύλης, πρέπει να καταστρέψετε ένα κομμάτι της αντιύλης. Εάν αυτό είναι αλήθεια, δεν μπορείτε ποτέ να έχετε περισσότερο από ένα είδος από το άλλο. "
Αυτή η συμμετρία έρχεται σε αντίθεση με την τρέχουσα κατανόησή μας για το πώς άρχισε το σύμπαν. Σύμφωνα με τη Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, όταν το σύμπαν επεκτάθηκε από μια απειροελάχιστη μοναδικότητα πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, πιστεύεται ότι δημιουργήθηκαν ίσα ποσά ύλης και αντιύλης. Ωστόσο, όταν οι αστρονόμοι κοιτάζουν έξω σήμερα στον κόσμο, το σύμπαν αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από την ύλη με κανένα από τα δίδυμα δίδυμα του. Πιο ανησυχητικό, αν η Θεωρία του Big Bang είναι σωστή, τότε εμείς - ναι, οι άνθρωποι - δεν θα πρέπει να είμαστε εδώ σήμερα.
"Εάν η ύλη και η αντιύλη υπακούουν πλήρως αυτή τη συμμετρία, τότε καθώς ο κόσμος εξελίχθηκε, όλη η ύλη και η αντιύλη θα εξαφανίστηκαν σε φωτόνια και δεν θα υπήρχε θέμα για άστρα, πλανήτες ή ακόμη ανθρώπινα κύτταρα. O'Donnell είπε. "Το μεγάλο ερώτημα τότε είναι:" Μήπως αυτό το λογιστικό σχήμα σπάσει κάποια στιγμή κατά την εξέλιξη του σύμπαντος; "
Το ερώτημα αυτό είναι αυτό που ο O'Donnell και οι συνεργάτες του ελπίζουν να απαντήσουν. Τα τελευταία δύο χρόνια, η ομάδα τους συγκέντρωσε και ανέλυσε δεδομένα από το πείραμα CUORE (Κρυογονικό υπόγειο παρατηρητήριο για σπάνιες εκδηλώσεις) στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας, αναζητώντας το πυροβόλο όπλο που θα έβαζε αυτό το κοσμικό μυστήριο να ξεκουραστεί.
Τα μικρά ουδέτερα
Το CUORE, που σημαίνει "καρδιά" στα ιταλικά, ψάχνει για αποδείξεις ότι τα αόρατα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα είναι τα δικά τους αντισωματίδια, που οι φυσικοί ονομάζουν σωματίδιο Majorana. Τα νετρίνα, τα οποία περνούν σαν φαντάσματα μέσα από το μεγαλύτερο μέρος, είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστούν. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με την NASA, τρισεκατομμύρια νετρίνα που προέρχονται από τον φλογερό πυρηνικό κλίβανο του ήλιου μας περνούν από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο.
Το πείραμα CUORE ψάχνει για την υπογραφή των νετρίνων της Majorana που εξοντώνουν ο ένας τον άλλον σε μια διαδικασία που ονομάζεται αποσύνθεση διπλής βήτα χωρίς νετρίνο. Σε συνηθισμένη αποσύνθεση διπλής βήτα, δύο νετρόνια μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου μεταμορφώνονται ταυτόχρονα σε δύο πρωτόνια, εκπέμποντας ένα ζεύγος ηλεκτρονίων και αντινετρίνων. Αυτό το πυρηνικό γεγονός, παρόλο που είναι εξαιρετικά σπάνιο και εμφανίζεται μόνο μία φορά κάθε 100 χρόνια (10-20) για ένα μεμονωμένο άτομο, έχει παρατηρηθεί στην πραγματική ζωή.
Ωστόσο, εάν οι ερευνητές είναι σωστοί και τα νετρίνα είναι αληθινά σωματίδια Majorana (είναι τα δικά τους αντισώματα), τότε τα δύο antineutrinos που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης θα μπορούσαν να εκμηδενιστούν μεταξύ τους και να δημιουργήσουν μια αποσύνθεση διπλού βήτα χωρίς νετρίνο. Το αποτέλεσμα? Μόνο ηλεκτρόνια, τα οποία είναι "συνηθισμένη ύλη". Εάν αυτή η διαδικασία αποδειχθεί αληθής, μπορεί να είναι υπεύθυνη για την σπορά του πρώιμου σύμπαντος με συνηθισμένη ύλη. Παρατηρώντας αυτή τη διαδικασία, ωστόσο, είναι μια άλλη ιστορία. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η φθορά διπλής βήτα χωρίς νετρίνο (εάν υπάρχει) μπορεί να λάβει χώρα μία φορά κάθε 10 εβδομάδες (10 ^ 25).
"Η λειτουργία neutrinoless είναι αυτή που πραγματικά θέλουμε να δούμε, θα σπάσει τους κανόνες, δημιουργώντας ύλη χωρίς αντιύλη", δήλωσε ο O'Donnell, ο οποίος είναι μέλος της συνεργασίας CUORE. "Θα ήταν η πρώτη ένδειξη για μια πραγματική λύση της ασυμμετρίας της ύλης-αντιύλης".
Ο ανιχνευτής CUORE αναζητά την ενεργειακή υπογραφή, με τη μορφή θερμότητας, από τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται κατά τη ραδιενεργή αποσύνθεση των ατόμων του τελλουρίου. Η αποσύνθεση διπλής βήτα χωρίς ουδετερόφιλα θα αφήσει μια μοναδική και διακριτή κορυφή στο ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων.
"Το CUORE είναι, ουσιαστικά, ένα από τα πιο ευαίσθητα θερμόμετρα στον κόσμο", ανέφερε σε δήλωσή του ο Carlo Bucci, τεχνικός συντονιστής της συνεργασίας CUORE.
Συγκεντρωμένη εδώ και μια δεκαετία, το όργανο CUORE είναι το ψυχρότερο κυβικό μέτρο στο γνωστό σύμπαν. Αποτελείται από 988 κρυστάλλους σε σχήμα κύβου φτιαγμένους από διοξείδιο του τελλουρίου, ψύχονται σε 10 milli-Kelvin ή μείον 460 βαθμούς Fahrenheit (μείον 273 βαθμούς Κελσίου), μόνο μια τρίχα πάνω από την ψυχρότερη φυσική της θερμοκρασίας θα επιτρέψει. Για να προστατεύσει το πείραμα από παρεμβολές από εξωτερικά σωματίδια όπως οι κοσμικές ακτίνες, ο ανιχνευτής είναι εγκλεισμένος σε ένα παχύ στρώμα πολύ καθαρού μολύβδου που ανακτάται από ένα ρωμαϊκό ρωμαϊκό ναυάγιο των 2.000 ετών.
Παρά τα τεχνολογικά επιτεύγματα της ομάδας, η εύρεση του γεγονότος που δεν είναι νετρίνο αποδείχθηκε ότι δεν είναι εύκολο έργο. Οι ερευνητές έχουν περισσότερο από τετραπλασιάσει τα συλλεχθέντα δεδομένα από τα αρχικά τους αποτελέσματα το 2017, αντιπροσωπεύοντας το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων που συλλέχθηκε ποτέ από έναν ανιχνευτή σωματιδίων του είδους του. Τα τελευταία αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στη βάση δεδομένων preprint arXiv, δείχνουν ότι δεν βρήκαν καμιά ένδειξη αποικοδόμησης διπλής βήτα από το νετρίνο.
Η συνεργασία εξακολουθεί να είναι αποφασισμένη να κυνηγάει αυτό το αόρατο σωματίδιο διπλού παράγοντα. Τα αποτελέσματά τους έχουν βάλει πιο κοντά στην αναμενόμενη μάζα ενός νετρίνο Majorana, το οποίο πιστεύουν ότι είναι τουλάχιστον 5 εκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. Η ομάδα έχει σχέδια να αναβαθμίσει το CUORE μετά την αρχική πενταετή πορεία της, εισάγοντας ένα νέο τύπο κρυστάλλου που ελπίζουν ότι θα βελτιώσει σημαντικά την ευαισθησία της.
"Εάν η ιστορία είναι ένας καλός προγνωστικός για το μέλλον, τότε μπορούμε να είμαστε αρκετά σίγουροι ότι η ώθηση του φάκελου των τεχνολογιών ανιχνευτών θα μας επιτρέψει να ελέγξουμε τα νετρίνα με συνεχώς αυξανόμενο βάθος", δήλωσε ο O'Donnell. "Ας ελπίσουμε ότι θα ανακαλύψουμε τη νετρίνο διπλής βήτα αποσύνθεσης, ή ίσως κάτι πιο εξωτικό και απροσδόκητο."
