Глубоко под горой в Италии, в самом холодном кубическом метре известной вселенной, ученые ищут доказательства того, что призрачные частицы, называемые нейтрино, действуют как их собственные партнеры по антивеществу. То, что обнаружат эти исследователи, может объяснить дисбаланс вещества и антивещества во вселенной.
Пока что они подошли с пустыми руками.
Последние результаты первых двух месяцев эксперимента CUORE (Криогенная подземная обсерватория для редких событий) в Гран-Сассо, Италия, не показывают намеков на процесс, доказывающий, что нейтрино, генерируемые космическим излучением, являются их собственными партнерами по антивеществу. Это означает, что если процесс действительно происходит, он случается настолько редко, что происходит примерно раз в 10 септиллионов (10 ^ 25) лет.
Конечная цель этого эксперимента - разгадать одну из самых стойких загадок вселенной, которая предполагает, что нас здесь даже не должно быть. Эта загадка существует потому, что теоретический Большой Взрыв, в котором, как говорят, крошечная сингулярность раздулась за период, составляющий более 13,8 миллиарда лет или около того, образовал вселенную, должен был привести к созданию вселенной с 50 процентами вещества и 50 процентами антивещества.
Когда материя и антивещество встречаются, они уничтожают и делают друг друга несуществующим.
Но это не то, что мы видим сегодня. Вместо этого наша вселенная в основном материя, и ученые пытаются выяснить, что случилось со всеми антивеществами.
Вот тут и приходят нейтрино.
Что такое нейтрино?
Нейтрино - это крошечные элементарные частицы практически без массы. Каждый из них меньше атома, но они являются одними из самых распространенных частиц в природе. Подобно призракам, они могут проходить сквозь людей и стены, не замечая никого (даже нейтрино).
У большинства элементарных частиц есть нечетный аналог антивещества, называемый античастицей, который имеет ту же массу, что и его партнер по нормальной материи, но противоположный заряд. Но нейтрино сами по себе немного странны, потому что у них почти нет массы, и они бесплатны. Итак, физики предположили, что они могут быть их собственными античастицами.
Когда частица действует как собственная античастица, она называется майорановской частицей.
«Теории, которые у нас есть в настоящее время, просто не говорят нам, принадлежат ли нейтрино к этому типу Майорана. И это очень интересно искать, потому что мы уже знаем, что нам чего-то не хватает в нейтрино», - физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, рассказал Live Science. Хоссенфельдер, который не является частью CUORE, имеет в виду причудливые необъяснимые особенности нейтрино.
Если нейтрино - майоран, тогда они смогут переходить между веществом и антивеществом. Исследователи сказали, что если большинство нейтрино превратятся в обычную материю в начале существования Вселенной, это может объяснить, почему материя перевешивает антивещество сегодня - и почему мы существуем.
Эксперимент CUORE
Изучать нейтрино в обычной лаборатории сложно, потому что они редко взаимодействуют с другим веществом и их чрезвычайно трудно обнаружить - миллиарды проходят через вас незамеченными каждую минуту. Также трудно отличить их от других источников излучения. Вот почему физикам пришлось уйти в подполье - почти в миле (1,6 километра) ниже поверхности Земли - где гигантская стальная сфера окружает детектор нейтрино, управляемый Национальной лабораторией ядерной физики Итальянского национального института ядерной физики Гран Сассо.
Эта лаборатория является домом для эксперимента CUORE, который ищет доказательства процесса, называемого безнейтринным двойным бета-распадом - еще один способ сказать, что нейтрино действуют как свои собственные античастицы. В нормальном процессе двойного бета-распада ядро распадается и испускает два электрона и два антинейтрино. Однако безнейтринный двойной бета-распад не испускал бы никаких антинейтрино, потому что эти антинейтрино могли бы служить их собственными античастицами и уничтожать друг друга.
Пытаясь «увидеть» этот процесс, физики наблюдали за энергией, испускаемой (в форме тепла) во время радиоактивного распада изотопа теллура. Если бы произошел безнейтринный двойной бета-распад, был бы пик на определенном энергетическом уровне.
Чтобы точно обнаружить и измерить эту тепловую энергию, исследователи создали самый холодный кубический метр в известной вселенной. Они сравнивают его с огромным термометром с почти 1000 кристаллами диоксида теллура (TeO2), работающими при 10 милликельвинах (мК), что составляет минус 459,652 градуса по Фаренгейту (минус 273,14 градуса по Цельсию).
Когда радиоактивные атомы теллура распадаются, эти детекторы ищут этот энергетический пик.
«Наблюдение, что нейтрино являются их собственными античастицами, было бы значительным открытием и потребовало бы от нас переписать общепринятую Стандартную модель физики элементарных частиц. Это позволило бы нам сказать, что существует новый и иной механизм для того, чтобы материя имела массу», - исследует исследователь Карстен. Хигер, профессор Йельского университета, рассказал «Живой науке».
И даже если CUORE не может однозначно доказать, что нейтрино является его собственной античастицей, технология, использованная в исследовании, может найти иное применение, сказал Линдли Уинслоу, доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте и член команды CUORE.
«Технология, которая охлаждает CUORE до 10 мК, - это та же технология, которая используется для охлаждения сверхпроводящих цепей для квантовых вычислений. Следующее поколение квантовых компьютеров может жить в криостате в стиле CUORE. Вы можете называть нас первопроходцами», - сказал Уинслоу в прямом эфире. Наука.
