„CUORE” încearcă să ajungă la antimaterie

Foto: credit MIT

Vederea de jos a celor 19 turnuri CUORE instalate în criostat, concepute pentru a explica de ce universul este format în mare parte din materie

Adânc sub muntele Gran Sasso din centrul Italiei, sub aproape o milă de roci solide, este în curs de desfășurare experimentul CUORE (Observatorul subteran criogenic pentru evenimente rare) pentru a ne ajuta să înțelegem una dintre cele mai mari întrebări fără răspuns ale astrofizicii: de ce este universul care ne înconjoară plin de materie, atunci când predicțiile sugerează că ar trebui să fie împărțită în mod egal între materie și antimaterie?

Pentru fiecare particulă atomică există o particulă complementară cu o masă egală, dar cu o încărcătură opusă: acesta este cazul, de exemplu, electronilor și positronilor, protoni și antiprotoni, neutroni și antineutroni. Pentru fiecare pereche de particule, una este desemnată ca materie obișnuită, iar cealaltă ca antimaterie (singura excepție fiind Majorana fermion, particule încarcate – cum ar fi fotonii – care acționează ca propriile lor antiparticule).

Astrofizica ne spune că Big Bang ar fi trebuit să producă cantități egale de materie și antimaterie, dar acest lucru nu este evident. Motivul pentru acest dezechilibru este încă un mister poate să se afle în neutrin, o particulă subatomică aproape fără masă care – la fel ca fotonul – poate acționa ca propria sa antiparticulă. Dacă neutrinii sunt într-adevăr fermioni Majorana ei s-ar fi putut degrada asimetric în universul timpuriu și fi putut da naștere la preponderența materiei peste antimateria pe care o vedem astăzi.

În ianuarie anul trecut, o echipă de 150 de oameni de știință din Italia și Statele Unite a început CUORE, un experiment de cinci ani care urmărește să stabilească dacă neutrinii sunt propriile antiparticule.

CUORE încearcă să facă acest lucru prin detectarea unui eveniment extraordinar de rar, cunoscut sub numele de „dezintegrare dublă beta-neutrin”. De-a lungul timpului, doi neutrini se vor deteriora în mod natural în doi protoni, doi electroni și doi antineutrini; cu toate acestea, dacă neutrinii sunt propriile lor antiparticule, atunci foarte ocazional cei doi două antineutrini se vor anula reciproc într-o „dezintegrare neutrinică”.

egradarea neutrinilor poate fi observată în materiale precum telurul, dar o dezintegrare neutrinică este un eveniment atât de rar încât apare într-un atom de telur doar o singură dată în mai multe septilii (milioane de miliarde de miliarde de miliarde de ani); chiar și atunci, semnul decăderii este foarte greu de detectat, deoarece constă într-un vârf energetic de numai 2,4 MeV – mai puțin de o mie de miliarde dintr-un joulu.

Prin urmare, experimentul CUORE are loc cât mai departe posibil de orice interferență, într-un laborator plasat sub aproape o milă de rocă solidă și în ceea ce oamenii de știință au calculat a fi „cel mai rece metru cub din univers”, un dispozitiv în stil frigorific care răcește interioarele sale la șapte mii de grade peste zero absolut. În interiorul zonei frigorifice, 988 de cristale de dioxid de telur (în total aproximativ 100 de atomi de telur de septilioni) sunt foarte atent monitorizați în căutarea micului vârf al temperaturii care ar denota o descompunere neutrinică.

Două luni experimente, oamenii de știință au raportat că nu au detectat încă un astfel de eveniment și, prin urmare, au concluzionat că evenimentul are loc în mod natural cel mult o dată la fiecare zece septilioni ani într-un singur atom de telur.

Cercetătorii prevăd că ar trebui să poată observa cel puțin cinci dezintegrări neutrinice în următorii cinci ani, într-o descoperire care nu numai că va confirma faptul că neutrinii sunt propriile lor antiparticule, dar, de asemenea, încalcă legea modelului standard de conservare a numărului de leptoni.

Dacă experimentul nu detectează evenimentul dorit, următoarea generație a experimentului, numită CUPID, îi va lua locul prin monitorizarea unui număr și mai mare de atomi; în cazul în care acest al doilea experiment eșuează, o ultima iterație poate oferi un răspuns final la întrebare.

„Dacă nu o vedem în decurs de 10 până la 15 ani un răspuns, atunci dacă natura nu alege ceva cu adevărat ciudat, neutrinul nu este cel mai probabil propria sa antiparticulă”, spune membrul echipei CUORE, Lindley Winslow. „Fizica particulelor vă spune că nu există mult mai mult spațiu pentru ca neutrinul să fie în continuare propria antiparticulă. Nu există atât de multe locuri de ascuns”.

Sursa: M.I.T.