Již řadu let se mezinárodní tým vědců schoval hluboko pod horou ve střední Itálii a neúnavně shromažďoval nejcitlivější měření z nejchladnějšího metru krychlového ve známém vesmíru. Vědci hledají důkazy, že strašidelné částice zvané neutrinos jsou nerozeznatelné od svých protějšků antihmoty. Pokud se to prokáže, objev by mohl vyřešit kosmické hlavolam, který fyziky trápil po celá desetiletí: Proč vůbec záleží?
Už dlouho věděli, že má antihmota zlého dvojče. Pro každou základní částici ve vesmíru existuje antičástice, která je téměř totožná s jejím sourozencem, se stejnou hmotností, ale opačným nábojem. Když se částice a antičástice setkají tváří v tvář, ničí se navzájem a vytvářejí čistou energii.
„Máme tuto zjevnou úplnou symetrii účetnictví mezi hmotou a antihmotou,“ řekl Thomas O'Donnell, profesor fyziky na Virginia Tech University, Live Science. „Pokaždé, když uděláte kus hmoty, vytvoříte také vyrovnávací kus antihmoty a pokaždé, když zničíte kus hmoty, musíte zničit kus antihmoty. Pokud je to pravda, nikdy nemůžete mít více jednoho typu než ten druhý. “
Tato symetrie je v rozporu s naším současným chápáním toho, jak vesmír začal. Podle Teorie velkého třesku, kdy se vesmír rozrostl z nekonečného singularity před 13,8 miliardami let, má se za to, že vzniklo stejné množství hmoty a antihmoty. Když se však astronomové dnes dívají do vesmíru, vesmír je složen téměř výhradně z hmoty, aniž by viděl žádné zlé dvojče. Více znepokojující, pokud je teorie velkého třesku správná, neměli bychom dnes - ano, lidé - být.
„Kdyby hmota a antihmota plně dodržovaly tuto symetrii, pak by se vesmír, jak se vyvíjí, veškerou hmotu a antihmotu zničil do fotonů a nezůstalo by nic na hvězdách, planetách nebo dokonce na lidských buňkách. Řekl O'Donnell. „Velkou otázkou tedy je:‚ Přerušilo se toto účetní schéma někdy během vývoje vesmíru? '“
Na tuto otázku doufá O'Donnell a její spolupracovníci. Během posledních dvou let jejich tým shromáždil a analyzoval data z experimentu CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) v národní laboratoři Gran Sasso v Itálii a hledala kuřáckou zbraň, která by toto kosmické tajemství oddálila.
Ty neutrální
CUORE, což v italštině znamená „srdce“, hledá důkaz, že nepolapitelné subatomické částice zvané neutrinos jsou jejich vlastní antičástice, což fyzikové nazývají majoranskou částicí. Neutrinos, která projdou jako přízraky ve většině látek, je velmi obtížné odhalit. Ve skutečnosti podle NASA prochází naše těla každou vteřinu biliony neutrin, které pocházejí z ohnivé jaderné pece našeho slunce.
Experiment CUORE hledá podpis majoranských neutrin, které se navzájem ničí v procesu zvaném neutrinoless double-beta decay. V běžném rozpadu dvojitého beta se dva neutrony uvnitř jádra atomu současně promění na dva protony, přičemž vyzařují dvojici elektronů a antineutrin. Tato jaderná událost, i když je mimořádně vzácná a vyskytuje se pouze jednou za každých 100 kvintillionů (10 ^ 20) pro jednotlivý atom, byla pozorována v reálném životě.
Pokud však vědci mají pravdu a neutrina jsou skutečnými částicemi Majorany (jsou jejich vlastními antičásticemi), pak by se dvě antineutrina vytvořená během rozkladu mohla navzájem zničit a vytvořit neutrinolový rozpad dvojitého beta. Výsledek? Jen elektrony, které jsou „obyčejnou hmotou“. Pokud se tento proces ukáže jako pravdivý, může být zodpovědný za nasazení raného vesmíru obyčejnou hmotou. Pozorování tohoto procesu je však dalším příběhem. Vědci odhadují neutrinolový rozpad dvojitého beta (pokud vůbec existuje), může se uskutečnit pouze jednou za každých 10 září (10 ^ 25).
„Neutrinolový režim je ten, který opravdu chceme vidět, porušuje pravidla, vytváří hmotu bez antihmoty,“ řekl O'Donnell, který je členem spolupráce CUORE. "Bylo by to první vodítko pro skutečné řešení asymetrie hmoty a antihmoty."
Detektor CUORE hledá energetický podpis ve formě tepla z elektronů vytvořených během radioaktivního rozkladu atomů telurů. Neutrinolový rozpad dvojité beta by zanechal jedinečný a rozlišitelný vrchol v energetickém spektru elektronů.
„CUORE je v podstatě jeden z nejcitlivějších teploměrů na světě,“ uvedl ve svém prohlášení technický koordinátor pro spolupráci CUORE Carlo Bucci.
Nástroj CUORE, sestavený po deset let, je nejchladnějším kubickým metrem ve známém vesmíru. Skládá se z 988 krychlových krystalů vyrobených z oxidu teluričitého, ochlazených na 10 mil kelvinů nebo mínus 460 stupňů Fahrenheita (mínus 273 stupňů Celsia), umožní to jen vlasy nad fyzikou nejchladnějších teplot. Aby byl experiment chráněn před rušením vnějšími částicemi, jako jsou kosmické paprsky, je detektor uzavřen v silné vrstvě vysoce čistého olova získaného z 2 000 let staré římské vraky.
Navzdory technologickým úspěchům týmu se ukázalo, že událost bez neutrolu není snadný úkol. Vědci více než ztrojnásobili shromážděná data od svých počátečních výsledků v roce 2017, což představuje největší datový soubor, jaký kdy zachytil detektor částic svého druhu. Jejich nejnovější výsledky, zveřejněné v předtiskové databázi arXiv, ukazují, že nenašli žádné důkazy o neutrinolovém rozpadu dvojitého beta.
Spolupráce je stále odhodlána ulovit tuto nepolapitelnou částici dvojitého činidla. Jejich výsledky daly těsnější vazbu na očekávanou hmotnost majoranského neutrina, o kterém se domnívají, že je nejméně 5 miliónkrát lehčí než elektron. Tým plánuje upgradovat CUORE po svém počátečním pětiletém běhu a představit nový typ krystalu, který, jak doufají, výrazně zlepší jeho citlivost.
"Pokud je historie dobrým prediktorem budoucnosti, pak si můžeme být docela jistí, že tlačení obálky detektorových technologií nám umožní zkoumat neutrina s neustále rostoucí hloubkou," řekl O'Donnell. "Doufejme, že objevíme neutrinolový rozpad dvojbety beta, nebo možná něco exotičtějšího a neočekávanějšího."
