Czy neutrina mogą być jednocześnie materią i antymaterią? Fizycy wciąż tego nie wiedzą, więc przeprowadzają
Dlaczego potrzebujemy tych eksperymentów?
Obserwacje astrofizyków pokazują, że Wszechświatskłada się prawie wyłącznie z materii, chociaż nie widzimy prawie żadnej antymaterii. Eksperymenty laboratoryjne i zderzające pokazują, że możliwe jest utworzenie zarówno materii, jak i antymaterii w równych częściach.
Celem teorii Wielkiego Wybuchu jest wyjaśnienie braku równowagimateria kosmiczna. Według niego materia może powstać bez antymaterii w „małym huku” podczas ultrarzadkiego procesu jądrowego zwanego podwójnym rozpadem beta bez neutrin.
Teraz grupa CUORE opublikowała artykuł w czasopiśmie Natureartykuł o tym, jak szukała tego typu rozpadu za pomocą izotopów telluru. Rozpadu nie udało się wykryć, ale inżynierom udało się utrzymać bardzo niskie temperatury, a jednocześnie instrumenty były bardzo czułe: wymagało to stabilnej pracy ponad tony sprzętu eksperymentalnego w temperaturach kriogenicznych bliskich -273,149.
Co badali autorzy?
Obiektem badań była cząstka neutrina.Te cząstki są wszędzie. Gdy osoba czyta to zdanie, przez jeden palec przechodzi nieskończona liczba neutrin. Neutrinów nie można wykryć za pomocą elektromagnetyzmu ani potężnych, silnych oddziaływań jądrowych. Dlatego cząstki mogą przejść bezpośrednio przez człowieka, a nawet Ziemię.
Neutrinów jest wiele, ale trudno je zbadać. Na początku swoich badań fizycy uważali, że cząstki te nie mają masy. Później okazało się, że była masa, aczkolwiek nieznaczna.
Ale naukowcy nadal nie odpowiedzieli na jedno pytanie:Czy neutrino może być jednocześnie materią i antymaterią? Każda cząstka ma antycząstkę, czyli te same cząstki, składające się jedynie z antymaterii. Na przykład elektrony mają antyelektrony lub pozytony, kwarki mają antykwarki, a neutrony i protony mają antyneutrony i antyprotony. Ale takiej antycząstki nie znaleziono dla neutrin.
Jak badać neutrina?
Aby zrozumieć, czy neutrina mają hipotetyczne antyneutrina, należy spróbować odtworzyć możliwy rodzaj rozpadu radioaktywnego, który nazywa się podwójnym rozpadem beta bez neutrin.
Sam rozpad beta jest powszechną formą rozpadu niektórych atomów i może przekształcić neutron znajdujący się w jądrze atomu w proton.
Jeśli mówimy o podwójnym rozpadzie beta, to tak jestrzadsze zjawisko. W tym przypadku nie działa jeden neutron, ale dwa. Podczas tego procesu emitują dwa elektrony i dwa antyneutrina. Fizycy chcą zatem spróbować podwójnego rozpadu beta bez neutrina, aby sprawdzić, czy ma on antycząstkę.
Jak przebiegł eksperyment?
Naukowcy z grupy CUORE ogłosili na początku kwietnia 2022 r. nowe wyniki eksperymentu. Autorzy chcieli zbadać naturę neutrina.
Zespół CUORE pracuje w laboratorium INFN GranSasso, które od świata zewnętrznego chronią mury i kamienie o grubości 1,4 km. Tam przeprowadzili jeden z najbardziej czułych eksperymentów na świecie, aby zbadać podwójny rozpad beta bez neutrin.
Wyniki pracy CUORE opierają się na ogromnymzestaw danych, jest 10 razy większy niż jakiekolwiek inne podobne eksperymenty. Jak dotąd zespół nie był w stanie zaobserwować podwójnego rozpadu beta bez neutrin, pomimo ultraczułego sprzętu. Zamiast tego naukowcy odkryli, że średnio występuje w jednym atomie telluru nie częściej niż raz na 22 biliony bilionów lat. Ta informacja jest bardzo ważna dla nowych odkryć w fizyce cząstek elementarnych.
„Podczas takich eksperymentów mydążymy do jednego celu - aby zrozumieć, jak tworzyła się materia ”- powiedział Carlo Bucci, badacz z Narodowego Laboratorium INFN Gran Sasso (LNGS). Według Rogera Huanga, doktora habilitowanego w Lawrence Berkeley National Laboratory w Departamencie Energii, naukowcy szukają procesu, który łamie symetrię natury.
„Jeśli zobaczymy podwójny rozpad beta bez neutrin,stanie się to najrzadszym procesem, jaki ludzie kiedykolwiek zarejestrowali. Jego okres półtrwania jest ponad milion miliardów razy dłuższy niż wiek wszechświata” – powiedziała Danielle Speller, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa i członek Rady Fizyki CUORE.
Zdaniem badaczy, chociażnie naprawili długo oczekiwanego procesu, są zadowoleni z wyników prac, w szczególności z części technicznej. Czułość detektora była niewiarygodnie wysoka: kiedy w Chile i Nowej Zelandii wystąpiły silne trzęsienia ziemi, naukowcy zauważyli tę aktywność na detektorze. Według Laury Marini, badaczki z Instytutu Gran Sasso, mogli obserwować fale rozbijające się o Morze Adriatyckie, 60 km od laboratorium.
Jak takie eksperymenty będą przeprowadzane w przyszłości?
W oparciu o CUORE zamierzają stworzyć kolejną generację eksperymentów. Następcą CUORE jest CUPID. Jest już opracowywany i oczekuje się, że będzie 10 razy bardziej czuły niż CUORE.
Czytaj więcej:
Po dziesięciu latach pracy naukowcy zakwestionowali standardowy model fizyki
MIT tworzy stacjonarny silnik cieplny, który przewyższa turbiny
Startup stworzył maleńkie roboty, które pracują w ludzkim mózgu