В течение многих лет международная команда исследователей скрывалась глубоко под горой в центральной Италии, неустанно собирая самые чувствительные измерения с самого холодного кубического метра в известной вселенной. Ученые ищут доказательства того, что призрачные частицы, называемые нейтрино, неотличимы от их собственных аналогов антивещества. Если это доказано, открытие может решить космическую загадку, которая изводила физиков десятилетиями: почему вообще существует материя?
Они давно знали, что у материи есть злая двойная антивещество. Для каждой фундаментальной частицы во вселенной существует античастица, которая почти идентична своему брату, с той же массой, но противоположным зарядом. Когда частица и античастица встречаются лицом к лицу, они уничтожают друг друга, создавая чистую энергию.
«У нас есть очевидная полная симметрия учета между веществом и антивеществом», - сказал в прямом эфире Live Science Томас О'Доннелл, профессор физики в Техническом университете Вирджинии. «Каждый раз, когда вы делаете кусок материи, вы также делаете уравновешивающий кусок антивещества, и каждый раз, когда вы уничтожаете кусок материи, вы должны уничтожать кусок антивещества. Если это так, у вас никогда не будет больше одного типа чем другой. "
Эта симметрия противоречит нашему нынешнему пониманию того, как началась Вселенная. Согласно теории Большого взрыва, когда вселенная расширилась от бесконечно малой сингулярности около 13,8 миллиардов лет назад, считается, что появилось равное количество вещества и антивещества. Однако, когда астрономы смотрят в космос сегодня, вселенная почти целиком состоит из материи, и ее злой близнец не виден. Больше беспокойства, если теория Большого взрыва верна, то мы - да, люди - не должны быть здесь сегодня.
«Если бы материя и антивещество полностью подчинялись этой симметрии, то, поскольку космос эволюционировал, вся материя и антивещество были бы аннигилированы в фотоны, и не было бы никакой материи для звезд, планет или даже человеческих клеток. Мы бы не существовали!» О'Доннелл сказал. «Тогда возникает большой вопрос:« Разрушалась ли когда-нибудь эта схема учета в ходе эволюции Вселенной? »
На этот вопрос надеются ответить О'Доннел и его коллеги. За последние два года их команда собрала и проанализировала данные эксперимента CUORE (Криогенная подземная обсерватория по редким событиям) в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии в поисках дымящегося ружья, которое могло бы раскрыть эту космическую тайну.
Маленькие нейтральные
CUORE, что по-итальянски означает «сердце», ищет доказательства того, что неуловимые субатомные частицы, называемые нейтрино, являются их собственной античастицей, которую физики называют майорановской частицей. Нейтрино, которые проходят как призраки через большую часть материи, очень трудно обнаружить. Фактически, согласно НАСА, триллионы нейтрино, происходящие из огненной ядерной печи нашего Солнца, проходят через наши тела каждую секунду.
Эксперимент CUORE ищет сигнатуру майорановских нейтрино, уничтожающих друг друга в процессе, называемом безнейтринным двойным бета-распадом. При обычном двойном бета-распаде два нейтрона внутри ядра атома одновременно превращаются в два протона, испуская пару электронов и антинейтрино. Это ядерное событие, хотя и чрезвычайно редкое и происходит только один раз каждые 100 квинтиллионных лет (10-20) для отдельного атома, наблюдается в реальной жизни.
Однако, если исследователи правы, а нейтрино являются настоящими майорановскими частицами (они являются их собственной античастицей), то два антинейтрино, созданные во время распада, могут уничтожить друг друга и создать безнейтринный двойной бета-распад. Результат? Просто электроны, которые являются "обычным веществом". Если этот процесс окажется правдой, он может быть ответственен за заселение ранней вселенной обычной материей. Наблюдение за этим процессом, однако, другая история. Ученые оценивают безнейтринный двойной бета-распад (если он вообще существует), который может происходить только один раз в каждые 10 септиллионов лет (10 ^ 25).
«Безнейтринный режим - это тот, который мы действительно хотим видеть, он нарушит правила, создавая материю без антивещества», - сказал О'Доннелл, член коллаборации CUORE. «Это был бы первый ключ к реальному решению асимметрии вещества и антивещества».
Детектор CUORE ищет энергетическую сигнатуру в форме тепла от электронов, созданных во время радиоактивного распада атомов теллура. Безнейтринный двойной бета-распад оставил бы уникальный и различимый пик в энергетическом спектре электронов.
«CUORE, по сути, один из самых чувствительных термометров в мире», - заявил в своем заявлении технический координатор сотрудничества CUORE Карло Буччи.
Собранный за десятилетие инструмент CUORE является самым холодным кубическим метром в известной вселенной. Он состоит из 988 кубовидных кристаллов, изготовленных из диоксида теллура, охлажденных до 10 милликельвинов или минус 460 градусов по Фаренгейту (минус 273 градуса по Цельсию), только на волосок выше самой низкой температуры физика позволит. Чтобы оградить эксперимент от помех со стороны внешних частиц, таких как космические лучи, детектор заключен в толстый слой высокочистого свинца, извлеченного из 2000-летнего римского кораблекрушения.
Несмотря на технологические достижения команды, обнаружение безнейтринного события оказалось непростой задачей. Исследователи более чем в четыре раза собрали данные с момента их первоначальных результатов в 2017 году, представляя самый большой набор данных, когда-либо собранный детектором частиц в своем роде. Их последние результаты, опубликованные в препринтовой базе данных arXiv, показывают, что они не обнаружили никаких доказательств безнейтринного двойного бета-распада.
Сотрудничество по-прежнему полны решимости выследить эту неуловимую частицу двойного агента. Их результаты наложили более жесткую оценку на ожидаемую массу майорановского нейтрино, которое, по их мнению, по крайней мере в 5 миллионов раз легче электрона. Команда планирует обновить CUORE после первоначальной пятилетки, представив новый тип кристаллов, который, как они надеются, значительно улучшит его чувствительность.
«Если история является хорошим предиктором будущего, то мы можем быть совершенно уверены, что развитие технологий детекторов позволит нам изучать нейтрино с постоянно растущей глубиной», - сказал О'Доннелл. «Надеюсь, мы обнаружим безнейтринный двойной бета-распад или, возможно, что-то более экзотическое и неожиданное».
