Глибоко під горою в Італії, в найхолоднішому кубічному метрі відомого Всесвіту, вчені полюють на докази того, що примарні частинки, звані нейтрино, виступають як власні партнери антиматерії. Те, що виявили ці дослідники, може пояснити дисбаланс речовини та антиматерії у Всесвіті.
Поки що вони підійшли з порожніми руками.
Останні результати за два місяці експерименту CUORE (Кріогенна підземна обсерваторія за рідкісними подіями) в Гран Сассо, Італія, не показують жодного натяку на процес доказування нейтрино, який генерується космічним випромінюванням, є їх власними партнерами протиматеріальних речовин. Це означає, що якщо процес відбувається, він трапляється так рідко, що він відбувається приблизно раз на 10 септиліонів (10 ^ 25) років.
Кінцева мета цього експерименту - вирішити одну із найтриваліших загадок у Всесвіті, і ту, яка дозволяє нам навіть не бути тут. Ця загадка існує тому, що теоретичний Великий вибух - в якому, як говорять, крихітна сингулярність завищив понад 13,8 мільярдів або близько років, щоб сформувати Всесвіт - повинен був призвести до Всесвіту з 50-відсотковою речовиною та 50-відсотковою антиматерою.
Коли матерія та антиматерия зустрічаються, вони знищуються та роблять один одного відсутніми.
Але це не те, що ми бачимо сьогодні. Натомість наш Всесвіт - це здебільшого матерія, і вчені намагаються розкрити, що сталося з усією антиматерією.
Ось де потрапляють нейтрино.
Що таке нейтрино?
Нейтрино - це крихітні елементарні частинки практично без маси. Кожен з них менший за атом, але вони є одними з найпоширеніших частинок у природі. Як і привиди, вони можуть проходити крізь люди і стіни, не помічаючи нікого (навіть нейтрино).
Більшість елементарних частинок мають непарний антиматеріальний аналог, званий античастиною, який має ту саму масу, що і його нормальний матеріял, але протилежний заряд. Але нейтрино трохи дивно, адже вони навряд чи мають якусь масу, і вони безцільні. Отже, фізики переконали, що вони можуть бути власними античастинами.
Коли частинка виступає власною античастиною, її називають частиною мажорана.
"Теорії, які ми маємо в даний час, просто не говорять нам про те, чи є нейтрино такого типу мажорана. І це дуже цікаво шукати, тому що ми вже знаємо, що нам щось не вистачає про нейтрино", - теоретичний фізик Сабін Хоссенфелдер, співробітник Франкфуртського інституту перспективних досліджень у Німеччині, розповів Live Science. Хоссенфелдер, який не входить до CUORE, має на увазі химерні незрозумілі особливості нейтрино.
Якщо нейтрино є мажоранами, то вони змогли б перейти між речовиною та антиматерією. Якщо більшість нейтрино потрапило у звичайну речовину на початку створення Всесвіту, це пояснило дослідники, це може пояснити, чому матерія переважає протиматеріальну речовину сьогодні - і чому ми існуємо.
Експеримент CUORE
Вивчити нейтрино в типовій лабораторії складно, оскільки вони рідко взаємодіють з іншою речовиною і їх надзвичайно важко виявити - мільярди проходять через вас непомітно щохвилини. Їх також важко відрізнити від інших джерел випромінювання. Ось чому фізикам потрібно було пройти під землею - майже в милі (1,6 кілометра) під земною поверхнею - там, де в гігантській сталевій кулі розміщений детектор нейтрино, яким керує Національний інститут ядерної фізики ядерної фізики Гран Сассо.
Ця лабораторія є домом експерименту CUORE, який шукає докази процесу, який називається подвійним бета-бета-розпадом, який є нейтриновим, - ще один спосіб сказати, що нейтрино діють як власні античастинки. У звичайному процесі подвійного бета-розпаду ядро розпадається і випромінює два електрони та два антинейтрино. Однак подвійне бета-бета-розпад нейтрино не випромінює жодних антинейтрино, оскільки ці антинейтрино можуть служити власними античастинками і знищуватимуть один одного.
У своїй спробі "побачити" цей процес фізики спостерігали за виділеною енергією (у вигляді тепла) під час радіоактивного розпаду ізотопу телуру. Якщо б відбулося подвійне бета-бета-розпад нейтрино, на певному рівні енергії буде пік.
Щоб точно виявити та виміряти цю теплову енергію, дослідники створили найхолодніший кубічний метр у відомому Всесвіті. Вони порівнюють його з величезним термометром з майже 1000 кристалами діоксиду телуру (TeO2), що працює при 10 мілікельвіні (мК), що становить мінус 459,652 градуса Фаренгейта (мінус 273,14 градуса Цельсія).
У міру розпаду атомів радіоактивного телуру ці детектори шукають цей енергетичний пік.
"Спостереження про те, що нейтрино є власними античастинками, було б значущим відкриттям і вимагає від нас переписати загальноприйняту Стандартну модель фізики частинок. Це дозволило б нам сказати, що існує новий і інший механізм, щоб матерія мала масу", - дослідник дослідження Карстен Геєгер, професор Єльського університету, розповів Live Science.
І навіть якщо CUORE не може остаточно довести, що нейтрино є власною античастинкою, технологія, яка використовується в дослідженні, може мати і інше застосування, - сказала Ліндлі Уінслоу, доцент фізики Массачусетського технологічного інституту та частина команди CUORE.
"Технологія, яка охолоджує CUORE до 10 мК, та сама, яка використовується для охолодження надпровідних схем для квантових обчислень. Наступне покоління квантових комп'ютерів може жити в кріостаті типу CUORE. Ви можете назвати нас ранніми усиновителями", - розповів Уінслоу в прямому ефірі Наука.
