In een laboratorium onder een berg gebruiken natuurkundigen kristallen die veel kouder zijn dan bevroren lucht om spookachtige deeltjes te bestuderen, in de hoop geheimen van het begin van het universum te ontdekken. Onderzoekers van het Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) kondigden deze week aan dat ze enkele van de strengste limieten tot nu toe hadden gesteld aan de vreemde mogelijkheid dat het neutrino zijn eigen antideeltje is. Neutrino's zijn zeer ongebruikelijke deeltjes, zo etherisch en zo alomtegenwoordig dat ze regelmatig door ons lichaam gaan zonder dat we het merken. CUORE heeft de afgelopen drie jaar geduldig gewacht om bewijs te zien van een onderscheidend nucleair vervalproces, alleen mogelijk als neutrino's en antineutrino's hetzelfde deeltje zijn. CUORE's nieuwe gegevens laten zien dat dit verval niet voor biljoenen triljoenen jaren plaatsvindt, als het al gebeurt. CUORE's grenzen aan het gedrag van deze kleine fantomen zijn een cruciaal onderdeel van de zoektocht naar de volgende doorbraak in de deeltjes- en kernfysica - en de zoektocht naar onze eigen oorsprong.

"Uiteindelijk proberen we de schepping van materie te begrijpen", zegt Carlo Bucci, onderzoeker bij de Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italië en de woordvoerder van CUORE. "We zijn op zoek naar een proces dat een fundamentele symmetrie van de natuur schendt", voegde Roger Huang toe, een postdoctoraal onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie.

CUORE, Italiaans voor 'hart', is een van de meest gevoelige neutrino-experimenten ter wereld. De nieuwe resultaten van CUORE zijn gebaseerd op een dataset die tien keer groter is dan elke andere zoekopdracht met hoge resolutie, verzameld in de afgelopen drie jaar. CUORE wordt beheerd door een internationale onderzoekssamenwerking, geleid door het Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italië en Berkeley Lab in de VS. De CUORE-detector zelf bevindt zich onder bijna anderhalve kilometer vast gesteente bij LNGS, een faciliteit van de INFN. Door het Amerikaanse Department of Energy ondersteunde kernfysici spelen een leidende wetenschappelijke en technische rol in dit experiment. De nieuwe resultaten van CUORE zijn vandaag gepubliceerd in Nature .

Bijzondere deeltjes

Neutrino's zijn overal - er gaan biljoenen neutrino's door je thumbnail alleen als je deze zin leest. Ze zijn onzichtbaar voor de twee sterkste krachten in het universum, elektromagnetisme en de sterke kernkracht, waardoor ze dwars door jou, de aarde en bijna al het andere kunnen gaan zonder interactie. Ondanks hun enorme aantal, maakt hun raadselachtige aard ze erg moeilijk om te bestuderen, en heeft natuurkundigen hun hoofden laten krabben sinds ze meer dan 90 jaar geleden voor het eerst werden gepostuleerd. Het was niet eens bekend of neutrino's enige massa hadden tot het einde van de jaren negentig - het blijkt dat ze dat doen, zij het niet erg veel.

Een van de vele openstaande vragen over neutrino's is of ze hun eigen antideeltjes zijn. Alle deeltjes hebben antideeltjes, hun eigen antimaterie-tegenhanger:elektronen hebben anti-elektronen (positronen), quarks hebben antiquarks, en neutronen en protonen (die de kernen van atomen vormen) hebben antineutronen en antiprotonen. Maar in tegenstelling tot al die deeltjes, is het theoretisch mogelijk dat neutrino's hun eigen antideeltjes zijn. Dergelijke deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn, werden voor het eerst gepostuleerd door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana in 1937, en staan ​​bekend als Majorana-fermionen.

Als neutrino's Majorana-fermionen zijn, zou dat een diepe vraag kunnen verklaren die ten grondslag ligt aan ons eigen bestaan:waarom er zoveel meer materie dan antimaterie in het universum is. Neutrino's en elektronen zijn beide leptonen, een soort fundamenteel deeltje. Een van de fundamentele natuurwetten lijkt te zijn dat het aantal leptonen altijd behouden blijft - als een proces een lepton creëert, moet het ook een anti-lepton creëren om het in evenwicht te brengen. Evenzo staan ​​​​deeltjes zoals protonen en neutronen bekend als baryonen, en het baryon-getal lijkt ook behouden te zijn. Maar als het aantal baryonen en leptonen altijd behouden was gebleven, dan zou er precies evenveel materie in het universum zijn als antimaterie - en in het vroege universum zouden de materie en antimaterie elkaar hebben ontmoet en vernietigd, en zouden we niet bestaan. Iets moet het exacte behoud van baryonen en leptonen schenden. Voer de neutrino in:als neutrino's hun eigen antideeltjes zijn, dan hoeft het leptongetal niet te worden behouden en wordt ons bestaan ​​veel minder mysterieus.

"De asymmetrie tussen materie en antimaterie in het universum is nog steeds onverklaard", zei Huang. "Als neutrino's hun eigen antideeltjes zijn, zou dat kunnen helpen om het te verklaren."

Dit is ook niet de enige vraag die kan worden beantwoord door een Majorana-neutrino. De extreme lichtheid van neutrino's, ongeveer een miljoen keer lichter dan het elektron, is al lang een raadsel voor deeltjesfysici. Maar als neutrino's hun eigen antideeltjes zijn, dan zou een bestaande oplossing die bekend staat als het "wipmechanisme" de lichtheid van neutrino's op een elegante en natuurlijke manier kunnen verklaren.

Een zeldzaam apparaat voor zeldzaam verval

Maar om te bepalen of neutrino's hun eigen antideeltjes zijn, is moeilijk, juist omdat ze helemaal niet vaak met elkaar in wisselwerking staan. Het beste hulpmiddel voor natuurkundigen om Majorana-neutrino's te zoeken, is een hypothetisch soort radioactief verval dat neutrinoloos dubbel bètaverval wordt genoemd. Bèta-verval is een vrij veel voorkomende vorm van verval in sommige atomen, waarbij een neutron in de atoomkern in een proton verandert, het chemische element van het atoom verandert en daarbij een elektron en een anti-neutrino wordt uitgezonden. Dubbel bèta-verval is zeldzamer:in plaats van dat één neutron in een proton verandert, doen er twee dat, waarbij twee elektronen en twee anti-neutrino's worden uitgezonden. Maar als het neutrino een Majorana-fermion is, dan zou dat theoretisch in staat zijn om een ​​enkel 'virtueel' neutrino, dat als zijn eigen antideeltje fungeert, de plaats in te nemen van beide anti-neutrino's in dubbel bètaverval. Alleen de twee elektronen zouden uit de atoomkern komen. Er wordt al tientallen jaren getheoretiseerd over neutrinoloos dubbel-bèta-verval, maar het is nog nooit gezien.

Het CUORE-experiment heeft zich tot het uiterste ingespannen om telluriumatomen te vangen bij dit verval. Het experiment maakt gebruik van bijna duizend zeer zuivere kristallen van telluriumoxide, die samen meer dan 700 kg wegen. Zoveel tellurium is nodig omdat het gemiddeld miljarden keren langer duurt dan de huidige leeftijd van het heelal voordat een enkel onstabiel telluriumatoom een ​​gewoon dubbel bètaverval ondergaat. Maar er zijn biljoenen triljoenen telluriumatomen in elk van de kristallen die CUORE gebruikt, wat betekent dat gewoon dubbel bètaverval vrij regelmatig plaatsvindt in de detector, ongeveer een paar keer per dag in elk kristal. Neutrinoloos dubbel-bèta-verval, als het al gebeurt, is nog zeldzamer, en daarom moet het CUORE-team hard werken om zoveel mogelijk bronnen van achtergrondstraling te verwijderen. Om de detector te beschermen tegen kosmische straling, bevindt het hele systeem zich onder de berg Gran Sasso, de grootste berg op het Italiaanse schiereiland. Verdere afscherming wordt geleverd door enkele tonnen lood. Maar vers gewonnen lood is enigszins radioactief als gevolg van besmetting door uranium en andere elementen, en die radioactiviteit neemt in de loop van de tijd af - dus het lood dat wordt gebruikt om het meest gevoelige deel van CUORE te omringen, is meestal lood dat is gewonnen uit een gezonken oud Romeins schip, bijna 2000 jaar oud .

Misschien wel het meest indrukwekkende apparaat dat bij CUORE wordt gebruikt, is de cryostaat, die de detector koud houdt. Om neutrinoloos dubbel bèta-verval te detecteren, wordt de temperatuur van elk kristal in de CUORE-detector nauwkeurig gecontroleerd met sensoren die een temperatuurverandering van slechts één tienduizendste van een Celsius-graad kunnen detecteren. Neutrinoloos dubbel-bèta-verval heeft een specifieke energiesignatuur en zou de temperatuur van een enkel kristal verhogen met een goed gedefinieerde en herkenbare hoeveelheid. Maar om die gevoeligheid te behouden, moet de detector erg koud worden gehouden, met name ongeveer 10 mK, een honderdste graad boven het absolute nulpunt. "Dit is de koudste kubieke meter in het bekende universum", zegt Laura Marini, een onderzoeksmedewerker aan het Gran Sasso Science Institute en CUORE's Run Coordinator. De resulterende gevoeligheid van de detector is werkelijk fenomenaal. "Toen er grote aardbevingen waren in Chili en Nieuw-Zeeland, zagen we er zelfs een glimp van in onze detector", zei Marini. "We kunnen ook golven zien beuken aan de kust van de Adriatische Zee, 60 kilometer verderop. Dat signaal wordt sterker in de winter, als er stormen zijn."

Een neutrino door het hart

Ondanks die fenomenale gevoeligheid heeft CUORE nog geen bewijs gezien van neutrinoloos dubbel bètaverval. In plaats daarvan heeft CUORE vastgesteld dat dit verval gemiddeld niet vaker voorkomt in een enkel telluriumatoom dan eens in de 22 biljoen biljoen jaar. "Neutrinoloos dubbel bètaverval, indien waargenomen, zal het zeldzaamste proces zijn dat ooit in de natuur is waargenomen, met een halfwaardetijd die meer dan een miljoen miljard keer langer is dan de leeftijd van het universum", zegt Danielle Speller, assistent-professor aan de Johns Hopkins University en een lid van de CUORE Physics Board. "CUORE is misschien niet gevoelig genoeg om dit verval te detecteren, zelfs als het zich voordoet, maar het is belangrijk om het te controleren. Soms levert natuurkunde verrassende resultaten op, en dan leren we het meest." Zelfs als CUORE geen bewijs vindt van neutrinoloos dubbel-bèta-verval, maakt het de weg vrij voor de volgende generatie experimenten. De opvolger van CUORE, de CUORE Upgrade met Particle Identification (CUPID), is al in de maak. CUPID zal meer dan 10 keer gevoeliger zijn dan CUORE, waardoor het mogelijk een glimp opvangt van een Majorana-neutrino.

Maar los van al het andere is CUORE een wetenschappelijke en technologische triomf - niet alleen vanwege zijn nieuwe grenzen aan de snelheid van neutrinoloos dubbel bètaverval, maar ook vanwege de demonstratie van zijn cryostaattechnologie. "Het is de grootste koelkast in zijn soort ter wereld", zegt Paolo Gorla, stafwetenschapper bij LNGS en technisch coördinator van CUORE. "En het wordt nu ongeveer drie jaar continu op 10 mK gehouden." Dergelijke technologie heeft toepassingen die veel verder gaan dan de fundamentele deeltjesfysica. Het kan met name worden gebruikt in kwantumcomputing, waar het koel genoeg houden van grote hoeveelheden machines en afgeschermd van omgevingsstraling om op kwantumniveau te manipuleren een van de grootste technische uitdagingen in het veld is.

Ondertussen is CUORE nog niet klaar. "We blijven actief tot 2024", zegt Bucci. "Ik ben opgewonden om te zien wat we vinden." + Verder verkennen

CUORE-experiment beperkt neutrino-eigenschappen