Kan nøytrinoer være både materie og antimaterie? Fysikere vet fortsatt ikke dette, så de gjør det
Hvorfor trenger vi disse eksperimentene?
Astrofysikeres observasjoner viser at universetbestår nesten utelukkende av materie, selv om vi nesten ikke ser noen antimaterie. Laboratorie- og kolliderforsøk viser at det er mulig å lage både materie og antimaterie i like deler.
Hensikten med Big Bang-teorien er å forklare ubalansenkosmisk materie. Ifølge den kan materie genereres uten antimaterie i et "liten smell", under en ultrasjelden kjernefysisk prosess kalt dobbel beta-forfall uten nøytrinoer.
Nå har CUORE-gruppen publisert i tidsskriftet Natureartikkel om hvordan hun så etter denne typen forfall ved å bruke isotoper av tellur. Forfallet kunne ikke oppdages, men ingeniørene var i stand til å opprettholde svært lave temperaturforhold og samtidig var instrumentene svært følsomme: Dette krevde stabil drift av mer enn et tonn eksperimentelt utstyr ved kryogene temperaturer nær -273.149.
Hva studerte forfatterne?
Formålet med studien var en nøytrinopartikkel.Disse partiklene er overalt. Et uendelig antall nøytrinoer passerer gjennom én finger når en person leser denne setningen. Nøytrinoer kan ikke oppdages ved hjelp av elektromagnetisme eller kraftige sterke kjernekrefter. Dette er grunnen til at partikler kan passere direkte gjennom en person og til og med jorden.
Det er mange nøytrinoer, men de er vanskelige å studere. I begynnelsen av sin forskning trodde fysikere at disse partiklene ikke hadde noen masse. Senere viste det seg at det var en masse, om enn ubetydelig.
Men forskere har fortsatt ikke svart på ett spørsmål:Kan en nøytrino være både materie og antimaterie? Hver partikkel har en antipartikkel, med andre ord de samme partiklene, kun bestående av antimaterie. For eksempel har elektroner antielektroner eller positroner, kvarker har antikvarker, og nøytroner og protoner har antinøytroner og antiprotoner. Men en slik antipartikkel ble ikke funnet for nøytrinoer.
Hvordan studere nøytrinoer?
For å forstå om nøytrinoer har en hypotetisk antinøytrino, må man prøve å reprodusere en mulig form for radioaktivt forfall, det kalles dobbelt beta-forfall uten nøytrinoer.
Beta-forfall i seg selv er en vanlig form for forfall i noen atomer og kan omdanne et nøytron som finnes i kjernen til et atom til et proton.
Hvis vi snakker om dobbel beta-forfall, så er detteen mer sjelden forekomst. I dette tilfellet fungerer ikke ett nøytron, men to. Under denne prosessen sender de ut to elektroner og to antinøytrinoer. Så fysikere ønsker å prøve dobbelt beta-forfall uten en nøytrino for å se om den har en antipartikkel.
Hvordan var eksperimentet?
Forskere fra CUORE-gruppen kunngjorde tidlig i april 2022 nye resultater fra eksperimentet. Forfatterne ønsket å studere nøytrinoens natur.
CUORE-teamet jobber i INFN Gran-laboratorietSasso, som er beskyttet fra omverdenen av murer og stein 1,4 km tykk. Der gjennomførte de et av de mest følsomme eksperimentene i verden for å studere dobbelt beta-forfall uten nøytrinoer.
Resultatene av CUOREs arbeid er basert på en enormdatasettet, er det 10 ganger større enn noen andre lignende eksperimenter. Så langt har ikke teamet vært i stand til å observere dobbel beta-forfall uten nøytrinoer, til tross for det ultrasensitive utstyret. I stedet fant forskerne at det i gjennomsnitt forekommer i et enkelt telluratom ikke mer enn én gang hvert 22. billion trillion år. Denne informasjonen er svært viktig for nye funn innen elementærpartikkelfysikk.
"Under slike eksperimenter vil vivi forfølger ett mål - å forstå hvordan materie dannet seg, "sa 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, leter forskere etter en prosess som bryter naturens symmetri.
"Hvis vi ser dobbelt beta-forfall uten nøytrinoer,det vil bli den sjeldneste prosessen mennesker noen gang har registrert. Halveringstiden er mer enn en million milliarder ganger universets alder," sa Danielle Speller, førsteamanuensis ved Johns Hopkins University og medlem av CUORE Physics Council.
Ifølge forskerne, selv om deikke klarte å fikse den etterlengtede prosessen, er de fornøyde med resultatene av arbeidet, spesielt den tekniske komponenten. Følsomheten til detektoren var utrolig høy: Da det skjedde kraftige jordskjelv i Chile og New Zealand, så forskerne denne aktiviteten på detektoren. Ifølge Laura Marini, en forsker ved Gran Sasso Institute, kunne de se bølgene slå mot Adriaterhavet, 60 km fra laboratoriet.
Hvordan vil slike eksperimenter bli utført i fremtiden?
Basert på CUORE skal de lage neste generasjon eksperimenter. Etterfølgeren til CUORE er CUPID. Den er allerede under utvikling og forventes å være 10 ganger mer følsom enn CUORE.
Les mer:
Etter ti års arbeid stilte forskere spørsmålstegn ved standardmodellen for fysikk
MIT lager en stasjonær varmemotor som utkonkurrerer turbiner
Startup har laget bittesmå roboter som fungerer i den menneskelige hjernen