Kan neutrinoer både være stof og antistof? Fysikere ved det stadig ikke, så de udfører det
Hvorfor har vi brug for disse eksperimenter?
Astrofysikeres observationer viser, at universetbestår næsten udelukkende af stof, selvom vi næsten ikke ser noget antistof. Laboratorie- og kolliderforsøg viser, at det er muligt at skabe både stof og antistof i lige store dele.
Formålet med Big Bang-teorien er at forklare ubalancenkosmisk stof. Ifølge den kan stof genereres uden antistof i et "lille brag" under en ultra-sjælden nuklear proces kaldet dobbelt beta-henfald uden neutrinoer.
Nu har CUORE-gruppen publiceret i tidsskriftet Natureartikel om, hvordan hun ledte efter denne form for henfald ved hjælp af isotoper af tellur. Henfaldet kunne ikke påvises, men ingeniørerne var i stand til at opretholde meget lave temperaturforhold og samtidig var instrumenterne meget følsomme: Dette krævede stabil drift af mere end et ton eksperimentelt udstyr ved kryogene temperaturer tæt på -273,149.
Hvad studerede forfatterne?
Formålet med undersøgelsen var en neutrinopartikel.Disse partikler er overalt. Et uendeligt antal neutrinoer passerer gennem en finger, når en person læser denne sætning. Neutrinoer kan ikke detekteres ved hjælp af elektromagnetisme eller kraftige stærke kernekræfter. Dette er grunden til, at partikler kan passere direkte gennem en person og endda Jorden.
Der er mange neutrinoer, men de er svære at studere. I begyndelsen af deres forskning troede fysikere, at disse partikler ikke havde nogen masse. Senere viste det sig, at der var en masse, omend ubetydelig.
Men videnskabsmænd har stadig ikke svaret på ét spørgsmål:Kan en neutrino både være stof og antistof? Hver partikel har en antipartikel, med andre ord de samme partikler, kun bestående af antistof. For eksempel har elektroner antielektroner eller positroner, kvarker har antikvarker, og neutroner og protoner har antineutroner og antiprotoner. Men sådan en antipartikel blev ikke fundet for neutrinoer.
Hvordan studerer man neutrinoer?
For at forstå om neutrinoer har en hypotetisk antineutrino, skal man forsøge at reproducere en mulig form for radioaktivt henfald, det kaldes dobbelt beta-henfald uden neutrinoer.
Beta-henfald i sig selv er en almindelig form for henfald i nogle atomer og kan omdanne en neutron, der findes i kernen af et atom, til en proton.
Hvis vi taler om dobbelt beta-henfald, så er detteen mere sjælden begivenhed. I dette tilfælde virker ikke én neutron, men to. Under denne proces udsender de to elektroner og to antineutrinoer. Så fysikere vil prøve dobbelt beta-henfald uden en neutrino for at se, om den har en antipartikel.
Hvordan var eksperimentet?
Forskere fra CUORE-gruppen annoncerede i begyndelsen af april 2022 nye resultater fra eksperimentet. Forfatterne ønskede at studere neutrinoens natur.
CUORE-teamet arbejder i INFN Gran-laboratorietSasso, som er beskyttet mod omverdenen af mure og sten 1,4 km tykke. Der udførte de et af de mest følsomme eksperimenter i verden for at studere dobbelt beta-henfald uden neutrinoer.
Resultaterne af CUOREs arbejde er baseret på et kæmpedatasæt, er det 10 gange større end nogen andre lignende eksperimenter. Hidtil har holdet ikke været i stand til at observere dobbelt beta-henfald uden neutrinoer på trods af det ultrafølsomme udstyr. I stedet fandt forskerne ud af, at det i gennemsnit forekommer i et enkelt telluratom ikke mere end én gang hver 22. billion trillion år. Denne information er meget vigtig for nye opdagelser inden for elementær partikelfysik.
"Under sådanne eksperimenter vil vivi forfølger ét mål - at forstå, hvordan stoffet blev dannet,” sagde Carlo Bucci, en forsker ved INFN Gran Sasso National Laboratory (LNGS). Ifølge Roger Huang, en postdoktor ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory, leder forskerne efter en proces, der bryder naturens symmetri.
"Hvis vi ser dobbelt beta-henfald uden neutrinoer,det vil blive den sjældneste proces, mennesker nogensinde har registreret. Dens halveringstid er mere end en million milliarder gange universets alder,” sagde Danielle Speller, lektor ved Johns Hopkins University og medlem af CUORE Physics Council.
Ifølge forskerne, selvom deundlod at rette op på den længe ventede proces, er de tilfredse med resultaterne af arbejdet, især den tekniske komponent. Detektorens følsomhed var utrolig høj: Da der opstod kraftige jordskælv i Chile og New Zealand, så forskerne denne aktivitet på detektoren. Ifølge Laura Marini, en forsker ved Gran Sasso Instituttet, kunne de se bølgerne slå mod Adriaterhavet, 60 km fra laboratoriet.
Hvordan vil sådanne eksperimenter blive udført i fremtiden?
Baseret på CUORE skal de skabe den næste generation af eksperimenter. Efterfølgeren til CUORE er CUPID. Den er allerede under udvikling og forventes at være 10 gange mere følsom end CUORE.
Læs mere:
Efter ti års arbejde stillede forskerne spørgsmålstegn ved standardmodellen for fysik
MIT skaber en stationær varmemotor, der klarer sig bedre end turbiner
Startup har skabt bittesmå robotter, der arbejder i den menneskelige hjerne