Jarenlang heeft een internationaal team van onderzoekers zich diep onder een berg in Midden-Italië verstopt en onvermoeibaar de meest gevoelige metingen verzameld van de koudste kubieke meter in het bekende universum. De wetenschappers zoeken naar bewijs dat spookachtige deeltjes die neutrino's worden genoemd, niet te onderscheiden zijn van hun eigen antimaterie-tegenhangers. Als het wordt bewezen, zou de ontdekking een kosmisch raadsel kunnen oplossen dat natuurkundigen al decennia lang plaagt: waarom bestaat materie eigenlijk?
Ze weten al lang dat materie een kwaadaardige tweeling heeft die antimaterie wordt genoemd. Voor elk fundamenteel deeltje in het universum bestaat er een antideeltje dat bijna identiek is aan zijn broer of zus, met dezelfde massa maar tegengestelde lading. Wanneer een deeltje en een antideeltje elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar en creëren ze pure energie.
"We hebben deze schijnbare volledige symmetrie van de boekhouding tussen materie en antimaterie," vertelde Thomas O'Donnell, een professor in de natuurkunde aan de Virginia Tech University, aan WordsSideKick.com. 'Elke keer dat je een stuk materie maakt, maak je ook een uitgebalanceerd stuk antimaterie, en elke keer dat je een stuk materie vernietigt, moet je een stuk antimaterie vernietigen. Als dit waar is, kun je nooit meer van één type hebben Dan de andere."
Deze symmetrie staat haaks op ons huidige begrip van hoe het universum begon. Volgens de oerknaltheorie, wanneer het universum zo'n 13,8 miljard jaar geleden uitgroeide tot een oneindig kleine singulariteit, wordt aangenomen dat er gelijke hoeveelheden materie en antimaterie zijn ontstaan. Wanneer astronomen tegenwoordig echter naar de kosmos kijken, bestaat het universum bijna volledig uit materie en is geen van zijn boze tweelingbroers in zicht. Nog verontrustender, als de Big Bang-theorie correct is, dan zouden wij - ja, mensen - hier vandaag niet moeten zijn.
"Als materie en antimaterie deze symmetrie volledig zouden gehoorzamen, dan zou naarmate de kosmos evolueerde, alle materie en antimaterie vernietigd zijn tot fotonen en zou er geen materie meer zijn voor sterren, planeten of zelfs menselijke cellen. We zouden niet bestaan!" Zei O'Donnell. "De grote vraag is dan: 'Is dit boekhoudsysteem ergens tijdens de evolutie van het universum gebroken?'"
Die vraag is wat O'Donnell en collega-medewerkers hopen te beantwoorden. In de afgelopen twee jaar heeft hun team gegevens verzameld en geanalyseerd van het CUORE-experiment (Cryogene Underground Observatory for Rare Events) in het Gran Sasso National Laboratory in Italië, op zoek naar het rookpistool dat dit kosmische mysterie tot rust zou brengen.
De kleine neutrale
CUORE, wat in het Italiaans 'hart' betekent, zoekt naar bewijs dat ongrijpbare subatomaire deeltjes, neutrino's genoemd, hun eigen antideeltje zijn, wat natuurkundigen een Majorana-deeltje noemen. Neutrino's, die als spoken door de meeste materie gaan, zijn buitengewoon moeilijk te detecteren. Volgens NASA passeren biljoenen neutrino's die afkomstig zijn uit de vurige nucleaire oven van onze zon elke seconde door ons lichaam.
Het CUORE-experiment zoekt naar de handtekening van Majorana-neutrino's die elkaar vernietigen in een proces dat neutrinoless double-beta decay wordt genoemd. Bij gewoon dubbel-beta-verval veranderen twee neutronen in de kern van een atoom gelijktijdig in twee protonen, waarbij een paar elektronen en antineutrino's worden uitgezonden. Deze nucleaire gebeurtenis, hoewel buitengewoon zeldzaam en komt slechts eenmaal in de 100 triljoen jaar (10 ^ 20) voor een individueel atoom voor, is in het echte leven waargenomen.
Als de onderzoekers echter correct zijn en neutrino's echte Majorana-deeltjes zijn (ze zijn hun eigen antideeltje), dan zouden de twee antineutrino's die tijdens het verval zijn ontstaan, elkaar kunnen vernietigen en een neutrinoless dubbel bèta-verval kunnen veroorzaken. Het resultaat? Gewoon elektronen, die "gewone materie" zijn. Als dit proces waar blijkt te zijn, kan het verantwoordelijk zijn voor het zaaien van het vroege universum met gewone materie. Dit proces observeren is echter een ander verhaal. Wetenschappers schatten dat neutrinoless dubbel bèta-verval (als het al bestaat) slechts één keer in de tien septiljoen jaar kan plaatsvinden (10 ^ 25).
"De neutrinoless-modus is degene die we echt willen zien, het zou de regels overtreden en materie creëren zonder antimaterie", zegt O'Donnell, die lid is van de CUORE-samenwerking. 'Het zou de eerste aanwijzing zijn voor een echte oplossing van de materie-antimaterie-asymmetrie.'
De CUORE-detector zoekt naar de energiesignatuur, in de vorm van warmte, van de elektronen die ontstaan tijdens het radioactieve verval van telluuratomen. Neutrinolloos dubbel-beta-verval zou een unieke en te onderscheiden piek in het energiespectrum van de elektronen achterlaten.
"CUORE is in wezen een van 's werelds meest gevoelige thermometers", zei Carlo Bucci, een technische coördinator voor de samenwerking tussen CUORE, in een verklaring.
Het CUORE-instrument is in meer dan tien jaar geassembleerd en is de koudste kubieke meter in het bekende universum. Het bestaat uit 988 kubusvormige kristallen gemaakt van telluurdioxide, gekoeld tot 10 milli-kelvin, of minus 460 graden Fahrenheit (minus 273 graden Celsius), slechts een haar boven de koudste temperatuur die de fysica toelaat. Om het experiment af te schermen van interferentie door deeltjes van buitenaf, zoals kosmische straling, is de detector ingepakt in een dikke laag zeer zuiver lood, gewonnen uit een 2000 jaar oud Romeins scheepswrak.
Ondanks de technologische prestaties van het team, bleek het vinden van de neutrinoloze gebeurtenis geen gemakkelijke taak. De onderzoekers hebben de verzamelde gegevens sinds hun eerste resultaten in 2017 meer dan verviervoudigd, wat de grootste dataset is die ooit door een deeltjesdetector in zijn soort is verzameld. Hun laatste resultaten, gepubliceerd op de preprint-database arXiv, laten zien dat ze geen aanwijzingen vonden voor neutrinoless double-beta decay.
De samenwerking is nog steeds vastbesloten om dit ongrijpbare dubbelagentdeeltje op te sporen. Hun resultaten hebben de verwachte massa van een Majorana-neutrino, die volgens hen minstens 5 miljoen keer lichter is dan een elektron, strakker gebonden. Het team heeft plannen om CUORE te upgraden na de eerste periode van vijf jaar, door een nieuw type kristal te introduceren waarvan ze hopen dat het de gevoeligheid enorm zal verbeteren.
"Als de geschiedenis een goede voorspeller is van de toekomst, dan kunnen we er vrij zeker van zijn dat we door de grenzen van detectortechnologieën te duwen, neutrino's met steeds grotere diepte kunnen onderzoeken", zei O'Donnell. 'Hopelijk ontdekken we neutrinolloos dubbel-bèta-verval, of misschien iets exotischer en onverwachts.'
