Deze week, een internationaal team van natuurkundigen, waaronder onderzoekers van het MIT, rapporteert de eerste resultaten van een ondergronds experiment dat is ontworpen om een ​​van de meest fundamentele vragen van de natuurkunde te beantwoorden:waarom bestaat ons universum grotendeels uit materie?

Volgens de theorie, de oerknal had gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten produceren - de laatste bestaande uit "antideeltjes" die in wezen spiegelbeelden van materie zijn, alleen ladingen dragen die tegengesteld zijn aan die van protonen, elektronen, neutronen, en andere deeltjes tegenhangers. En toch, we leven in een beslist materieel universum, voornamelijk gemaakt van sterrenstelsels, sterren, planeten, en alles wat we om ons heen zien - en heel weinig antimaterie.

Natuurkundigen stellen dat een of ander proces de balans in het voordeel van de materie moet hebben doen kantelen tijdens de eerste momenten na de oerknal. Eén zo'n theoretisch proces omvat het neutrino - een deeltje dat, ondanks dat het bijna geen massa heeft en weinig interactie heeft met andere materie, wordt verondersteld het universum te doordringen, met biljoenen spookachtige deeltjes die elke seconde onschadelijk door ons lichaam stromen.

Er is een mogelijkheid dat het neutrino zijn eigen antideeltje is, wat betekent dat het het vermogen kan hebben om te transformeren tussen een materie- en antimaterieversie van zichzelf. Als dat het geval is, natuurkundigen denken dat dit de onbalans in het universum kan verklaren, als zwaardere neutrino's, geproduceerd direct na de oerknal, asymmetrisch zou zijn vergaan, meer materie voortbrengen, in plaats van antimaterie, versies van zichzelf.

Een manier om te bevestigen dat het neutrino zijn eigen antideeltje is, is het detecteren van een buitengewoon zeldzaam proces dat bekend staat als een "neutrinoloos dubbel-bèta-verval, " waarin een stabiele isotoop, zoals tellurium of xenon, geeft bepaalde deeltjes af, inclusief elektronen en antineutrino's, zoals het van nature vergaat. Als het neutrino inderdaad zijn eigen antideeltje is, dan zouden volgens de regels van de fysica de antineutrino's elkaar moeten opheffen, en dit vervalproces zou 'neutrinoloos' moeten zijn. Elke maatregel van dit proces zou alleen de elektronen moeten registreren die uit de isotoop ontsnappen.

Het ondergrondse experiment dat bekend staat als CUORE, voor het cryogene ondergrondse observatorium voor zeldzame gebeurtenissen, is ontworpen om een ​​neutrinoloos dubbel-bèta-verval te detecteren uit het natuurlijke verval van 988 kristallen van telluriumdioxide. In een artikel dat deze week is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers, waaronder natuurkundigen aan het MIT, rapport over de eerste twee maanden aan gegevens verzameld door CUORE (Italiaans voor "hart"). En hoewel ze het veelbetekenende proces nog niet hebben ontdekt, ze hebben de meest strikte limieten tot nu toe kunnen stellen aan de hoeveelheid tijd die een dergelijk proces zou moeten nemen, als het al bestaat. Op basis van hun resultaten, ze schatten dat een enkel atoom van tellurium een ​​neutrinoloos dubbel-bèta-verval zou moeten ondergaan, hoogstens, eens in de 10 septiljoen (1 gevolgd door 25 nullen) jaar.

Rekening houdend met het enorme aantal atomen in de 988 kristallen van het experiment, de onderzoekers voorspellen dat ze binnen de komende vijf jaar minstens vijf atomen moeten kunnen detecteren die dit proces ondergaan, als het bestaat, het definitieve bewijs leveren dat het neutrino zijn eigen antideeltje is.

"Het is een zeer zeldzaam proces - als het wordt waargenomen, het zou het langzaamste zijn dat ooit is gemeten, " zegt CUORE-lid Lindley Winslow, de Jerrold R. Zacharias Career Development Assistant Professor of Physics aan het MIT, die de analyse leidde. "De grote opwinding hier is dat we in staat waren om 998 kristallen samen te laten lopen, en nu zijn we op weg om te proberen iets te zien."

De CUORE-samenwerking omvat ongeveer 150 wetenschappers, voornamelijk uit Italië en de VS, waaronder Winslow en een klein team van postdocs en afgestudeerde studenten van MIT.

Koudste kubus in het universum

Het CUORE-experiment is ondergronds gehuisvest, diep begraven in een berg in Midden-Italië, om het te beschermen tegen prikkels van buitenaf, zoals het constante bombardement van straling van bronnen in het universum.

Het hart van het experiment is een detector bestaande uit 19 torens, elk met 52 kubusvormige kristallen van telluriumdioxide, in totaal 988 kristallen, met een massa van ongeveer 742 kilogram, of 1, 600 pond. Wetenschappers schatten dat deze hoeveelheid kristallen ongeveer 100 septiljoen atomen van de specifieke telluriumisotoop belichaamt. Aan elk kristal zijn elektronica en temperatuursensoren bevestigd om tekenen van verval te controleren.

De hele detector bevindt zich in een ultrakoude koelkast, ongeveer zo groot als een automaat, die een constante temperatuur van 6 millikelvin handhaaft, of -459,6 graden Fahrenheit. Onderzoekers in het samenwerkingsverband hebben eerder berekend dat deze koelkast de koudste kubieke meter is die er in het heelal bestaat.

Het experiment moet extreem koud worden gehouden om minieme veranderingen in temperatuur te detecteren die worden gegenereerd door het verval van een enkel telluriumatoom. In een normaal dubbel-bèta-vervalproces, een telluriumatoom geeft twee elektronen af, evenals twee antineutrino's, die neerkomen op een bepaalde energie in de vorm van warmte. In het geval van een neutrinoloos dubbel-bèta-verval, de twee antineutrino's zouden elkaar moeten opheffen, en alleen de energie die vrijkomt door de twee elektronen zou worden gegenereerd. Natuurkundigen hebben eerder berekend dat deze energie ongeveer 2,5 megaelektronvolt (Mev) moet zijn.

In de eerste twee maanden van de operatie van CUORE, wetenschappers hebben in wezen de temperatuur van de 988 telluriumkristallen gemeten, op zoek naar een minuscule piek in energie rond die 2,5 Mev-markering.

"CUORE is als een gigantische thermometer, "zegt Winslow. "Als je een warmteafzetting op een kristal ziet, uiteindelijk zie je een puls die je kunt digitaliseren. Dan ga je door en kijk naar deze pulsen, en de hoogte en breedte van de puls komt overeen met hoeveel energie er was. Dan zoom je in en tel je hoeveel evenementen er waren bij 2,5 Mev, en we zagen eigenlijk niets. Dat is waarschijnlijk goed, want we verwachtten niets te zien in de eerste twee maanden van de gegevens."

Het hart zal doorgaan

De resultaten geven min of meer aan dat, binnen de korte periode waarin CUORE tot nu toe heeft gewerkt, niet een van de 1, 000 septiljoen telluuratomen in de detector ondergingen een neutrinoloos dubbel-bèta-verval. statistisch gezien, dit betekent dat het minstens 10 septiljoen jaar zou duren, of jaren, voor een enkel atoom om dit proces te ondergaan als een neutrino in feite zijn eigen antideeltje is.

"Voor telluriumdioxide, dit is de beste limiet voor de levensduur van dit proces die we ooit hebben gekregen, ' zegt Winslow.

CUORE zal de kristallen de komende vijf jaar blijven volgen, en onderzoekers ontwerpen nu de volgende generatie van het experiment, die ze CUPID hebben genoemd - een detector die hetzelfde proces zal zoeken binnen een nog groter aantal atomen. Voorbij CUPIDO, Winslow zegt dat er nog maar één is, grotere iteratie die mogelijk zou zijn, voordat wetenschappers een definitieve conclusie kunnen trekken.

"Als we het binnen 10 tot 15 jaar niet zien, dan, tenzij de natuur iets heel raars koos, het neutrino is hoogstwaarschijnlijk niet zijn eigen antideeltje, "zegt Winslow. "De deeltjesfysica vertelt je dat er niet veel meer bewegingsruimte is voor het neutrino om nog steeds zijn eigen antideeltje te zijn, en dat je het niet hebt gezien. Er zijn niet zoveel plekken om je te verstoppen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.