Voivatko neutriinot olla sekä ainetta että antimateriaa? Fyysikot eivät vielä tiedä tätä, joten he toteuttavat
Miksi tarvitsemme näitä kokeita?
Astrofyysikkojen havainnot osoittavat, että universumikoostuu lähes kokonaan aineesta, vaikka emme näe juuri lainkaan antimateriaa. Laboratoriokokeet ja törmäyskokeet osoittavat, että on mahdollista luoda sekä ainetta että antiainetta yhtä suuressa osassa.
Big Bang -teorian tarkoitus on selittää epätasapainoakosminen aine. Sen mukaan aine voi syntyä ilman antimateriaa "pienessä räjähdyksessä" ultraharvinaisessa ydinprosessissa, jota kutsutaan kaksoisbeetahajoamiseksi ilman neutriinoja.
Nyt CUORE-ryhmä on julkaissut Nature-lehdessäartikkeli siitä, kuinka hän etsi tämäntyyppistä hajoamista telluurin isotooppien avulla. Hajoamista ei voitu havaita, mutta insinöörit pystyivät pitämään erittäin alhaisia lämpötiloja ja samalla instrumentit olivat erittäin herkkiä: tämä vaati yli tonnin koelaitteiston vakaan toiminnan kryogeenisissa lämpötiloissa lähellä -273,149.
Mitä kirjoittajat tutkivat?
Tutkimuksen kohteena oli neutriinohiukkanen.Näitä hiukkasia on kaikkialla. Loputon määrä neutriinoja kulkee yhden sormen läpi, kun ihminen lukee tämän lauseen. Neutriinoja ei voida havaita sähkömagnetismin tai voimakkaiden ydinvoimien avulla. Tästä syystä hiukkaset voivat kulkea suoraan ihmisen ja jopa maan läpi.
Neutriinoja on paljon, mutta niitä on vaikea tutkia. Tutkimuksensa alussa fyysikot uskoivat, että näillä hiukkasilla ei ollut massaa. Myöhemmin kävi ilmi, että siellä oli massaa, vaikkakin merkityksetöntä.
Mutta tutkijat eivät ole vieläkään vastanneet yhteen kysymykseen:Voiko neutrino olla sekä ainetta että antimateriaa? Jokaisella hiukkasella on antipartikkeli, toisin sanoen samat hiukkaset, jotka koostuvat vain antiaineesta. Esimerkiksi elektroneissa on antielektroneja tai positroneja, kvarkeilla on antikvarkeja ja neutroneilla ja protoneilla on antineutroneja ja antiprotoneja. Mutta tällaista antihiukkasta ei löydetty neutriinoille.
Kuinka tutkia neutriinoja?
Ymmärtääkseen, onko neutriinoilla hypoteettinen antineutrino, täytyy yrittää toistaa mahdollista radioaktiivista hajoamista, sitä kutsutaan kaksoisbeetahajoamiseksi ilman neutriinoja.
Beetahajoaminen itsessään on yleinen hajoamismuoto joissakin atomeissa ja voi muuttaa atomin ytimessä olevan neutronin protoniksi.
Jos puhumme kaksinkertaisesta beetahajoamisesta, niin tämä onharvinaisempi tapaus. Tässä tapauksessa ei toimi yksi neutroni, vaan kaksi. Tämän prosessin aikana ne lähettävät kaksi elektronia ja kaksi antineutrinoa. Joten fyysikot haluavat kokeilla kaksinkertaista beetahajoamista ilman neutriinoa nähdäkseen, onko siinä antihiukkasta.
Miten kokeilu meni?
CUORE-ryhmän tutkijat ilmoittivat huhtikuun 2022 alussa uusia tuloksia kokeesta. Kirjoittajat halusivat tutkia neutrinon luonnetta.
CUORE-tiimi työskentelee INFN Gran -laboratoriossaSasso, joka on suojattu ulkomaailmalta muureilla ja 1,4 km paksuilla kivillä. Siellä he suorittivat yhden maailman herkimmistä kokeista tutkiakseen kaksinkertaista beetahajoamista ilman neutriinoja.
CUOREn työn tulokset perustuvat valtavaantietojoukko, se on 10 kertaa suurempi kuin muut vastaavat kokeet. Toistaiseksi ryhmä ei ole pystynyt havaitsemaan kaksinkertaista beetan hajoamista ilman neutriinoja ultraherkistä laitteista huolimatta. Sen sijaan tutkijat havaitsivat, että sitä esiintyy keskimäärin yhdessä telluuriatomissa korkeintaan kerran 22 biljoonaa biljoonaa vuotta kohden. Nämä tiedot ovat erittäin tärkeitä uusille alkeishiukkasfysiikan löydöksille.
"Kaikkien tällaisten kokeiden aikana mepyrimme yhteen päämäärään - ymmärtää aineen muodostumista”, sanoi Carlo Bucci, tutkija INFN Gran Sasso National Laboratorysta (LNGS). Energiaministeriön Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tutkijatohtorin Roger Huangin mukaan tutkijat etsivät prosessia, joka rikkoo luonnon symmetrian.
"Jos näemme kaksinkertaisen beetahajoamisen ilman neutriinoja,siitä tulee harvinaisin prosessi, jonka ihmiset ovat koskaan tallentaneet. Sen puoliintumisaika on yli miljoona miljardia kertaa maailmankaikkeuden ikä", sanoi Danielle Speller, Johns Hopkinsin yliopiston apulaisprofessori ja CUORE Physics Boardin jäsen.
Tutkijoiden mukaan vaikka heeivät onnistuneet korjaamaan kauan odotettua prosessia, he ovat tyytyväisiä työn tuloksiin, erityisesti tekniseen osaan. Ilmaisimen herkkyys oli uskomattoman korkea: kun Chilessä ja Uudessa-Seelannissa tapahtui voimakkaita maanjäristyksiä, tutkijat näkivät tämän toiminnan ilmaisimessa. Gran Sasso -instituutin tutkijan Laura Marinin mukaan he voisivat seurata aaltojen törmäämistä Adrianmereen 60 kilometrin päässä laboratoriosta.
Miten tällaisia kokeita tehdään tulevaisuudessa?
CUOREn perusteella he aikovat luoda seuraavan sukupolven kokeita. CUOREn seuraaja on CUPID. Sitä kehitetään jo, ja sen odotetaan olevan 10 kertaa herkempi kuin CUORE.
Lue lisää:
Kymmenen vuoden työn jälkeen tutkijat kyseenalaistivat fysiikan vakiomallin
MIT luo paikallaan pysyvän lämpömoottorin, joka ylittää turbiinit
Startup on luonut pieniä robotteja, jotka toimivat ihmisen aivoissa