Ar neutrinai gali būti ir materija, ir antimedžiaga? Fizikai vis dar to nežino, todėl atlieka
Kodėl mums reikalingi šie eksperimentai?
Astrofizikų stebėjimai rodo, kad Visatasusideda beveik vien iš materijos, nors antimedžiagos beveik nematome. Laboratoriniai ir greitintuvo eksperimentai rodo, kad galima sukurti ir materiją, ir antimedžiagą lygiomis dalimis.
Didžiojo sprogimo teorijos tikslas – paaiškinti disbalansąkosminė materija. Remiantis ja, medžiaga gali būti sukurta be antimedžiagos „mažame sprogime“ per itin retą branduolinį procesą, vadinamą dvigubu beta skilimu be neutrinų.
Dabar CUORE grupė paskelbė žurnale NatureStraipsnis apie tai, kaip ji ieškojo tokio skilimo naudojant telūro izotopus. Skilimo aptikti nepavyko, tačiau inžinieriai sugebėjo palaikyti labai žemas temperatūros sąlygas ir tuo pačiu metu prietaisai buvo labai jautrūs: tam reikėjo stabilaus daugiau nei tonos eksperimentinės įrangos veikimo, esant kriogeninei temperatūrai, artimai -273,149.
Ką tyrinėjo autoriai?
Tyrimo objektas buvo neutrino dalelė.Šios dalelės yra visur. Žmogui skaitant šį sakinį per vieną pirštą praeina begalė neutrinų. Neutrinų negalima aptikti naudojant elektromagnetizmą ar galingas stiprias branduolines jėgas. Štai kodėl dalelės gali prasiskverbti tiesiai per žmogų ir net Žemę.
Neutrinų yra daug, bet juos sunku ištirti. Savo tyrimų pradžioje fizikai manė, kad šios dalelės neturi masės. Vėliau paaiškėjo, kad ten buvo masė, nors ir nereikšminga.
Tačiau mokslininkai vis dar neatsakė į vieną klausimą:Ar neutrinas gali būti ir materija, ir antimedžiaga? Kiekviena dalelė turi antidalelę, kitaip tariant, tas pačias daleles, susidedančias tik iš antimedžiagos. Pavyzdžiui, elektronai turi antielektronus arba pozitronus, kvarkai – antikvarkus, o neutronai ir protonai – antineutronus ir antiprotonus. Bet tokios antidalelės neutrinams nerasta.
Kaip ištirti neutrinus?
Norint suprasti, ar neutrinai turi hipotetinį antineutriną, reikia pabandyti atkurti galimą radioaktyvaus skilimo rūšį, vadinamą dvigubu beta skilimu be neutrinų.
Pats beta skilimas yra įprasta kai kurių atomų skilimo forma ir gali paversti atomo branduolyje esantį neutroną protonu.
Jei mes kalbame apie dvigubą beta skilimą, tai yraretesnis atvejis. Šiuo atveju veikia ne vienas neutronas, o du. Šio proceso metu jie išskiria du elektronus ir du antineutrinus. Taigi fizikai nori išbandyti dvigubą beta skilimą be neutrino, kad pamatytų, ar jis turi antidalelių.
Kaip sekėsi eksperimentas?
CUORE grupės mokslininkai 2022 m. balandžio pradžioje paskelbė naujus eksperimento rezultatus. Autoriai norėjo ištirti neutrino prigimtį.
CUORE komanda dirba INFN Gran laboratorijojeSasso, kurį nuo išorinio pasaulio saugo sienos ir 1,4 km storio akmuo. Ten jie atliko vieną jautriausių eksperimentų pasaulyje, siekdami ištirti dvigubą beta skilimą be neutrinų.
CUORE darbo rezultatai pagrįsti didžiuliuduomenų rinkinys, jis yra 10 kartų didesnis nei bet kuris kitas panašus eksperimentas. Kol kas komandai nepavyko stebėti dvigubo beta skilimo be neutrinų, nepaisant itin jautrios įrangos. Vietoj to, mokslininkai nustatė, kad vidutiniškai viename telūro atome jis atsiranda ne dažniau kaip kartą per 22 trilijonus trilijonų metų. Ši informacija yra labai svarbi naujiems elementariųjų dalelių fizikos atradimams.
„Visų tokių eksperimentų metu messiekiame vieno tikslo – suprasti, kaip formavosi materija“, – sakė INFN Gran Sasso nacionalinės laboratorijos (LNGS) mokslininkas Carlo Bucci. Pasak Rogerio Huango, Energetikos departamento Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos doktorantūros, mokslininkai ieško proceso, kuris sulaužytų gamtos simetriją.
„Jei matome dvigubą beta skilimą be neutrinų,tai taps rečiausiu procesu, kurį kada nors užfiksavo žmonės. Jo pusinės eliminacijos laikas yra daugiau nei milijoną milijardų kartų didesnis už Visatos amžių“, – sakė Johnso Hopkinso universiteto docentė ir CUORE fizikos tarybos narė Danielle Speller.
Tyrėjų teigimu, nors jienepavyko sutvarkyti ilgai laukto proceso, jie yra patenkinti darbo rezultatais, ypač technine dalimi. Detektoriaus jautrumas buvo neįtikėtinai didelis: kai Čilėje ir Naujojoje Zelandijoje įvyko stiprūs žemės drebėjimai, tyrėjai pastebėjo šią veiklą ant detektoriaus. Pasak Gran Sasso instituto mokslininkės Lauros Marini, jie galėjo stebėti, kaip bangos daužosi į Adrijos jūrą, esančią už 60 km nuo laboratorijos.
Kaip tokie eksperimentai bus atliekami ateityje?
Remdamiesi CUORE, jie ketina sukurti naujos kartos eksperimentus. CUORE įpėdinis yra CUPID. Jis jau kuriamas ir turėtų būti 10 kartų jautresnis nei CUORE.
Skaityti daugiau:
Po dešimties metų darbo mokslininkai suabejojo standartiniu fizikos modeliu
MIT sukuria stacionarų šilumos variklį, kuris pranoksta turbinas
Startup sukūrė mažyčius robotus, kurie dirba žmogaus smegenyse