Протягом багатьох років міжнародна команда дослідників ховається глибоко під горою в центральній Італії, невтомно збираючи найчутливіші вимірювання найхолоднішого кубічного метра у відомому Всесвіті. Вчені шукають докази того, що примарні частинки, які називаються нейтрино, не відрізняються від власних антиматеріалів. Якщо доведено, відкриття могло б вирішити космічну головоломку, яка десятиліттями мучила фізиків: Чому матерія взагалі існує?
Вони давно знають, що в матерії є злі близнюки, що отримали назву антиматерії. Для кожної основної частинки Всесвіту існує античастинка, яка майже ідентична його побратимам, з однаковою масою, але протилежним зарядом. Коли частинка і античастинка зустрічаються віч-на-віч, вони знищують один одного, створюючи чисту енергію.
"У нас є ця очевидна повна симетрія обліку між речовиною та антиматерією", - розповів Live Science Томас О'Доннелл, професор фізики Вірджинійського технічного університету. "Кожен раз, коли ви робите шматок речовини, ви також робите балансуючий шматок антиматерії, і кожен раз, коли ви знищуєте шматок речовини, ви повинні знищувати шматок антиматерії. Якщо це правда, ви ніколи не можете мати більше одного типу ніж інший ».
Ця симетрія суперечить нашому теперішньому розумінню того, як почався Всесвіт. Згідно з теорією великого вибуху, коли Всесвіт розширилася від нескінченно малої сингулярності приблизно 13,8 мільярда років тому, вважається, що рівномірна кількість речовини та антиматерії виникла. Однак, коли астрономи заглядають у космос сьогодні, Всесвіт майже повністю складається з матерії, і жодного злого близнюка не видно. Більш тривожно, якщо теорія великого вибуху правильна, то ми - так, люди - сьогодні не повинні бути тут.
"Якби матерія та антиматерия повністю підкорялися цій симетрії, тоді, як розвивався Космос, вся матерія та антиматерія знищилися б у фотонах і не залишилось би жодної матерії для зірок, планет чи навіть людських клітин. Ми б не існували!" - сказав О'Доннелл. "Тоді велике питання:" Чи ця схема обліку була порушена колись під час еволюції Всесвіту? "
На це питання сподіваються відповісти О'Доннелл та його колеги. Протягом останніх двох років їх команда збирала та аналізувала дані експерименту CUORE (Кріогенна підземна обсерваторія за рідкісними подіями) в Національній лабораторії Гран Сассо в Італії, шукаючи курильний пістолет, який дозволив би відпочити цій космічній таємниці.
Маленькі нейтральні
CUORE, що по-італійськи означає «серце», шукає докази того, що невловимі субатомні частинки, які називаються нейтрино, є їх власною античастиною, що фізики називають частиною мажорана. Нейтрино, які проходять як примари через більшість матерій, надзвичайно важко виявити. Насправді, за даними NASA, трильйони нейтрино, що походять із вогненної ядерної печі нашого сонця, щосекунди проходять через наші тіла.
Експеримент CUORE шукає підпис нейтронів мажори, що знищують один одного в процесі, який називається подвійним бета-бета-розпадом з нейтрино. У звичайному подвійному бета-розпаді два нейтрони всередині ядра атома одночасно перетворюються на два протони, випромінюючи пару електронів та антинейтрино. Ця ядерна подія, хоча надзвичайно рідкісна і трапляється лише раз на 100 квінтільйонних років (10 ^ 20) для окремого атома, спостерігається в реальному житті.
Однак якщо дослідники правильні і нейтрино є справжніми частинками мажори (вони є власною античастиною), то два антинейтрино, створені під час розпаду, можуть знищити один одного і створити подвійне бета-бета-розпад нейтрино. Результат? Просто електрони, які є "звичайною матерією". Якщо цей процес виявиться правдивим, він може бути відповідальним за висівання раннього Всесвіту звичайною речовиною. Спостереження за цим процесом - це вже інша історія. Вчені вважають, що бетритальний бета-бета-розпад (якщо він взагалі існує) може відбуватися раз на кожні 10 септиліонних років (10 ^ 25).
"Режим без нейтрино - це той, кого ми дійсно хочемо бачити. Він порушив би правила, створивши матерію без антиматерії", - сказав О'Доннелл, який є членом співпраці CUORE. "Це була б перша підказка щодо реального вирішення питання про асиметрію речовини".
Детектор CUORE шукає енергетичний підпис у вигляді тепла від електронів, створених під час радіоактивного розпаду атомів телуру. Нейтрино-бета-бета-розпад залишив би унікальний і помітний пік в енергетичному спектрі електронів.
"CUORE - це, по суті, один із найчутливіших у світі термометрів", - зазначає технічний координатор співпраці CUORE Карло Буччі.
Зібраний протягом десятиліття, інструмент CUORE - це найхолодніший кубічний метр у відомому Всесвіті. Він складається з 988 кристалів у формі куба, виготовлених з діоксиду телуру, охолодженим до 10 мілі-кельвіну або мінус 460 градусів Фаренгейта (мінус 273 градуси Цельсія). Щоб захистити експеримент від перешкод сторонніх частинок, таких як космічні промені, детектор укладений у товстий шар високочистого свинцю, вилученого з 2-річної римської корабельної аварії.
Незважаючи на технологічні досягнення команди, знайти нейтрино-події виявилося непростим завданням. Дослідники більш ніж вчетверо збільшили зібрані дані з моменту їх первісних результатів у 2017 році, що представляє собою найбільший набір даних, який коли-небудь збирав детектор частинок такого типу. За останніми результатами, опублікованими в базі даних препринтів arXiv, показано, що вони не виявили жодних доказів безтритронного подвійного бета-розпаду.
Співпраця все ще налаштована на пошук цієї невловимої частинки подвійного агента. Їх результати чіткіше залежать від очікуваної маси нейтрино Майорана, який, на їхню думку, принаймні у 5 мільйонів разів легший за електрон. Команда планує модернізувати CUORE після своєї першої п'ятирічної роботи, представивши новий тип кристала, який, як вони сподіваються, значно покращить його чутливість.
"Якщо історія є гарним провісником майбутнього, то ми можемо бути досить впевненими, що натискання на оболонку детекторних технологій дозволить нам вивчити нейтрино з постійно зростаючою глибиною", - сказав О'Доннелл. "Сподіваємось, ми виявимо безтритровий подвійний бета-розпад, або, можливо, щось більш екзотичне та несподіване".
