Adânc sub un munte din Italia, în cel mai rece metru cub al universului cunoscut, oamenii de știință urmăresc dovezi conform cărora particulele fantomă numite neutrinos acționează ca proprii parteneri antimateri. Ceea ce găsesc acești cercetători ar putea explica dezechilibrul materiei și antimateriei din univers.
Până acum, au venit cu mâna goală.
Ultimele rezultate din primele două luni ale experimentului CUORE (Cryogenic Underground Observatory pentru evenimente rare) din Gran Sasso, Italia, nu arată niciun indiciu al unui proces care dovedește neutrinii, care sunt generați de radiațiile cosmice, sunt partenerii lor antimaterie. Aceasta înseamnă că, dacă procesul are loc, se întâmplă atât de rar, încât are loc aproximativ o dată la 10 septillion (10 ^ 25) ani.
Scopul final al acestui experiment este de a rezolva una dintre cele mai durabile ghicitori ale universului și una care sugerează că nici nu ar trebui să fim aici. Această ghicitoare există pentru că Big Bang-ul teoretic - în care se spune că o minusculă singularitate a umflat peste 13,8 miliarde de ani pentru a forma universul - ar fi trebuit să conducă la un univers cu 50% materie și 50% antimaterie.
Când materia și antimateria se întâlnesc, ele se anihilează și se fac reciproc inexistente.
Dar asta nu vedem astăzi. În schimb, universul nostru este în mare parte materie, iar oamenii de știință se luptă să descopere ce s-a întâmplat cu toată antimateria.
Acolo intră neutrinii.
Ce sunt neutrinii?
Neutrinii sunt particule elementare minuscule, practic fără masă. Fiecare este mai mic decât un atom, dar sunt unele dintre cele mai abundente particule din natură. La fel ca fantomele, pot trece prin oameni și ziduri fără ca nimeni (chiar și neutrinii) să observe.
Majoritatea particulelor elementare au o omologă antimaterie ciudată, numită antiparticule, care are aceeași masă ca partenerul său de materie normală, dar sarcina opusă. Dar neutrinii sunt puțin ciudat de unul singur, prin faptul că au aproape nici o masă și sunt fără sarcină. Deci, fizicienii au crezut că ar putea fi propriile lor antiparticule.
Când o particulă acționează ca antiparticulă proprie, se numește o particulă Majorana.
"Teoriile pe care le avem în prezent pur și simplu nu ne spun dacă neutrinii sunt sau nu de acel tip Majorana. Și este un lucru foarte interesant de căutat, pentru că știm deja că ne lipsește ceva despre neutrini", a spus fizicianul teoretic Sabine Hossenfelder, un coleg de la Institutul de Studii Avansate din Germania, a spus Live Science. Hossenfelder, care nu face parte din CUORE, se referă la trăsăturile bizare inexplicabile ale neutrinilor.
Dacă neutrinii sunt Majoranas, atunci aceștia ar putea tranziția între materie și antimaterie. Dacă majoritatea neutrinilor s-au transformat în materie obișnuită la începutul universului, au spus cercetătorii, acest lucru ar putea explica de ce materia depășește antimateria astăzi - și de ce existăm.
Experimentul CUORE
Studierea neutrinilor într-un laborator tipic este dificilă, deoarece interacționează rar cu alte materii și sunt extrem de greu de detectat - miliarde trec prin tine nedetectate în fiecare minut. De asemenea, este greu să le spui în afară de alte surse de radiații. De aceea, fizicienii trebuiau să plece în subteran - la aproape o milă (1,6 kilometri) sub suprafața Pământului - unde o sferă gigantică de oțel conține un detector de neutrino condus de Institutul Național Italian de Fizică Nucleară, Laboratorul Național Gran Sasso.
Acest laborator este casa experimentului CUORE, care caută dovezi ale unui proces numit neutrinoless dublu-beta - o altă modalitate de a spune că neutrinii acționează ca propriile lor antiparticule. Într-un proces normal de descompunere dublu-beta, un nucleu se descompune și emite doi electroni și doi antineutrini. Cu toate acestea, descompunerea dublu-beta neutrinolentă nu ar emite niciun antineutrinos, deoarece acești antineutrini ar putea servi drept propriile lor antiparticule și s-ar anihila reciproc.
În încercarea lor de a „vedea” acest proces, fizicienii au urmărit energia emisă (sub formă de căldură) în timpul degradării radioactive a unui izotop de telur. Dacă s-ar produce descompunerea dublu-beta neutrinolentă, ar exista un vârf la un anumit nivel de energie.
Pentru a detecta și măsura cu precizie această energie termică, cercetătorii au conceput cel mai rece metru cub din universul cunoscut. Aceștia îl compară cu un termometru enorm cu aproape 1.000 de cristale de dioxid de telur (TeO2) care funcționează la 10 milli-kelvin (mK), care este de minus 459.652 grade Fahrenheit (minus 273,14 grade Celsius).
Pe măsură ce atomii de telur radioactiv se descompun, acești detectori caută acest vârf de energie.
"Observația că neutrinii sunt propriile lor antiparticule ar fi o descoperire semnificativă și ne-ar impune să rescriem modelul standard acceptat în mod obișnuit al fizicii particulelor. Ne-ar spune că există un mecanism nou și diferit pentru ca materia să aibă masă", a declarat cercetătorul Karsten Heeger, profesor la Universitatea Yale, a declarat la Live Science.
Și chiar dacă CUORE nu poate demonstra definitiv că neutrino este propriul său antiparticul, tehnologia folosită în studiu poate avea alte utilizări, a spus Lindley Winslow, profesor asistent de fizică la Massachusetts Institute of Technology și parte a echipei CUORE.
"Tehnologia care răcește CUORE până la 10 mK este aceeași care este utilizată pentru răcirea circuitelor supraconductoare pentru calcularea cuantică. Următoarea generație de computere cuantice poate trăi într-un criostat în stil CUORE. Ați putea să ne sunăm adoptatori timpurii", a spus Winslow pentru Live Ştiinţă.
