Kan neutriner vara både materia och antimateria? Fysiker vet fortfarande inte detta, så de gör det
Varför behöver vi dessa experiment?
Astrofysikers observationer visar att universumbestår nästan helt av materia, även om vi nästan inte ser någon antimateria. Laboratorie- och kolliderförsök visar att det är möjligt att skapa både materia och antimateria i lika delar.
Syftet med Big Bang-teorin är att förklara obalansenkosmisk materia. Enligt den kan materia genereras utan antimateria i en "liten smäll", under en ultrasällsynt kärnprocess som kallas dubbel beta-sönderfall utan neutriner.
Nu har CUORE-gruppen publicerats i tidskriften Natureartikel om hur hon letade efter denna typ av sönderfall med hjälp av isotoper av tellur. Förfallet kunde inte upptäckas, men ingenjörerna kunde upprätthålla mycket låga temperaturförhållanden och samtidigt var instrumenten mycket känsliga: detta krävde stabil drift av mer än ett ton experimentell utrustning vid kryogena temperaturer nära -273,149.
Vad studerade författarna?
Syftet med studien var en neutrinopartikel.Dessa partiklar finns överallt. Ett oändligt antal neutriner passerar genom ett finger när en person läser den här meningen. Neutrinos kan inte upptäckas med hjälp av elektromagnetism eller kraftfulla starka kärnkrafter. Det är därför partiklar kan passera direkt genom en person och till och med jorden.
Det finns många neutriner, men de är svåra att studera. I början av sin forskning trodde fysiker att dessa partiklar inte hade någon massa. Senare visade det sig att det fanns en massa, om än obetydlig.
Men forskare har fortfarande inte svarat på en fråga:Kan en neutrino vara både materia och antimateria? Varje partikel har en antipartikel, med andra ord samma partiklar, endast bestående av antimateria. Till exempel har elektroner antielektroner eller positroner, kvarkar har antikvarkar och neutroner och protoner har antineutroner och antiprotoner. Men en sådan antipartikel hittades inte för neutriner.
Hur studerar man neutriner?
För att förstå om neutriner har en hypotetisk antineutrino måste man försöka reproducera en möjlig sorts radioaktivt sönderfall, det kallas dubbelbeta-sönderfall utan neutriner.
Beta-sönderfall i sig är en vanlig form av sönderfall i vissa atomer och kan omvandla en neutron som finns i en atoms kärna till en proton.
Om vi talar om dubbel beta-sönderfall, så är dettaen mer sällsynt händelse. I det här fallet fungerar inte en neutron utan två. Under denna process avger de två elektroner och två antineutriner. Så fysiker vill prova dubbel beta-sönderfall utan en neutrino för att se om den har en antipartikel.
Hur var experimentet?
Forskare från CUORE-gruppen tillkännagav i början av april 2022 nya resultat från experimentet. Författarna ville studera neutrinons natur.
CUORE-teamet arbetar i INFN Gran-laboratorietSasso, som skyddas från omvärlden av murar och sten 1,4 km tjock. Där genomförde de ett av de känsligaste experimenten i världen för att studera dubbel beta-sönderfall utan neutriner.
Resultaten av CUOREs arbete bygger på en enormdatauppsättningen är den 10 gånger större än något annat liknande experiment. Hittills har teamet inte kunnat observera dubbel beta-sönderfall utan neutriner, trots den ultrakänsliga utrustningen. Istället fann forskarna att det i genomsnitt förekommer i en enda telluratom inte mer än en gång var 22 biljon biljon år. Denna information är mycket viktig för nya upptäckter inom elementarpartikelfysik.
"Under alla sådana experiment, vivi strävar efter ett mål - att förstå hur materia bildades, säger Carlo Bucci, forskare vid INFN Gran Sasso National Laboratory (LNGS). Enligt Roger Huang, en postdoktor vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory, letar forskare efter en process som bryter naturens symmetri.
"Om vi ser dubbel beta-sönderfall utan neutriner,det kommer att bli den sällsynta processen som människor någonsin har registrerat. Dess halveringstid är mer än en miljon miljarder gånger universums ålder”, säger Danielle Speller, docent vid Johns Hopkins University och medlem av CUORE Physics Council.
Enligt forskarna, även om demisslyckades med att fixa den efterlängtade processen, de är nöjda med resultatet av arbetet, särskilt den tekniska komponenten. Detektorns känslighet var otroligt hög: när kraftiga jordbävningar inträffade i Chile och Nya Zeeland såg forskarna denna aktivitet på detektorn. Enligt Laura Marini, forskare vid Gran Sasso-institutet, kunde de se vågorna slå mot Adriatiska havet, 60 km från laboratoriet.
Hur kommer sådana experiment att genomföras i framtiden?
Baserat på CUORE ska de skapa nästa generations experiment. Efterträdaren till CUORE är CUPID. Den är redan under utveckling och förväntas vara 10 gånger känsligare än CUORE.
Läs mer:
Efter tio års arbete ifrågasatte forskare fysikstandardmodellen
MIT skapar en stationär värmemotor som överträffar turbiner
Startup har skapat små robotar som fungerar i den mänskliga hjärnan