Anonim

"CUORE " eksperiment søger at komme til kernen i sagen - og antimateriel

Fysik

Dario Borghino

1. april 2018

2 billeder

Nederste billede af de 19 CUORE-tårne ​​installeret i kryostatindretningen, der er designet til at hjælpe med at forklare, hvorfor universet hovedsagelig er lavet af materiel (Credit: CUORE-samarbejde)

Dybt under Gran Sasso-bjerget i det centrale Italien, under næsten en kilometer solid rock, er CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events og Italian for "heart ") på vej for at hjælpe os med at forstå en af ​​astrofysik s store ubesvarede spørgsmål: Hvorfor er universet, der omgiver os fuld af materie, når forudsigelser antyder, at det skal være lige spaltet mellem materie og antimatter?

For hver atompartikel findes der en komplementær partikel med lige masse, men modsat ladning. Det er f.eks. Tilfældet med elektroner og positroner, protoner og antiprotoner, neutroner og antineutroner. For hvert par partikler er den ene betegnet som almindeligt stof og den anden som antimatter (den ene undtagelse er Majorana fermioner, ladeløse partikler - som fotoner - som fungerer som deres egne antipartikler).

Astrofysik fortæller os, at Big Bang skulle have produceret lige store mængder stof og antimateriel, men det er helt klart ikke tilfældet. Årsagen til denne ubalance er stadig et mysterium, men kan ligge i naturen af ​​neutrino, en næsten masseløs subatomic partikel, der - ligesom fotonen - kan fungere som sin egen antipartikel. Hvis neutrinos faktisk er Majorana-fermioner, kan de have forfaldet asymmetrisk i det tidlige univers og give anledning til overvægten af ​​materien over antimateriel, som vi ser i dag.

I løbet af januar begyndte et hold på 150 forskere fra Italien og USA CUORE, et femårigt eksperiment, der sigter mod at fastslå, om neutrinerne rent faktisk er deres egne antipartikler.

CUORE søger at gøre dette ved at opdage en usædvanlig sjælden begivenhed kendt som "neutrinoløst dobbelt-beta henfald. " Over tid vil to neutroner naturligvis forfalde i to protoner, to elektroner og to antineutrinos; Men hvis neutrinos er deres egen antipartikel, så vil de to antineutrinos af og til annullere hinanden i et "neutrinoløst forfald".

Neutrinoforfald kan observeres i materialer som tellurium, men et neutrinoløst forfald er en begivenhed, der er så sjælden, at den forekommer i et telluratom kun én gang i flere septillioner (millioner milliarder milliarder) år; selv da er underskriften af ​​henfaldet meget vanskelig at opdage, da den består af en energispike på kun 2, 4 MeV - mindre end en tusindedel af en milliarddel af en Joule.

CUORE-eksperimentet foregår så langt som muligt fra alle forstyrrelser i et laboratorium placeret under næsten en mil solid rock, og i hvilke forskere har beregnet at være "den koldeste kubikmeter i universet ", stil enhed, der køler sit interiør til kun syv tusind af en grad over absolut nul. Inde i køleskabet overvåges 988 tellurdioxidkrystaller (i alt ca. 100 septillion telluratomer) meget omhyggeligt på jagt efter den lille temperaturspids, der ville betegne et neutrinoløst forfald.

To måneder i eksperimentet har forskerne rapporteret, at de endnu ikke har registreret en sådan begivenhed, og som følge heraf konkluderede de, at begivenheden forekommer naturligt højst hver 10. septillion år i et enkelt telluriumatom.

Forskerne forudser, at de skal kunne observere mindst fem neutrinolske nedfald i løbet af de næste fem år i en opdagelse, der ikke kun vil bekræfte, at neutrinos er deres egne antipartikler, men også krænker standardmodellens lov om bevarelse af lepton nummer .

Hvis eksperimentet ikke registrerer den ønskede begivenhed, vil eksperimentets næste generation, kaldet CUPID, finde sted ved at overvåge et endnu større antal atomer; Hvis dette andet eksperiment også fejler, kan en sidste iteration give et sidste svar på spørgsmålet.

"Hvis vi ikke ser det inden for 10 til 15 år, så medmindre naturen vælger noget rigtig underligt, er neutrino sandsynligvis ikke dets eget antipartikel, " siger CUORE-teammedlem, Lindley Winslow. "Partikelfysik fortæller dig der er ikke meget mere vinkle plads til neutrino at stadig være sin egen antiparticle, og for dig ikke at have set det.Der er ikke så mange steder at skjule. "

Et papir der beskriver undersøgelsen blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Physical Review Letters .

Kilde: MIT

Nederste billede af de 19 CUORE-tårne ​​installeret i kryostatindretningen, der er designet til at hjælpe med at forklare, hvorfor universet hovedsagelig er lavet af materiel (Credit: CUORE-samarbejde)

Forskere, der arbejder på kryostat (Kredit: CUORE samarbejde)

Anbefalet Redaktørens Valg