Hvordan SuperNEMO -eksperimentet kunne hjælpe med at løse mysteriet om stofets oprindelse i universet

Savoyeregionen i Frankrig er bedst kendt for sine granbeklædte skiløjper og maleriske alpine landsbyer. Mindre kendt er det faktum, at dybt under nogle af disse skråninger, forskere undersøger et af de største mysterier i fysik:stofets oprindelse.

Vejtunnelen Fréjus i regionen fører trafik mellem den franske by Modane og den italienske by Bardonecchia. Tag en tur gennem tunnelen, og du vil måske bare bemærke-midt på-en beskedent grøn dør i tunnelvæggen. Denne robuste metaldør adskiller den kvælende, diesel-tilført luft fra vejtunnelen fra den rene, kontrolleret atmosfære i Laboratoire Souterraine de Modane, Europas dybeste underjordiske laboratorium, der er hjemsted for et partikelfysisk eksperiment kaldet SuperNEMO.

SuperNEMO -detektoren, omkring seks meter lang, fire meter høj og tre meter bred, sidder i et tæt kontrolleret rent rum for at beskytte det mod forurening med de små mængder naturlig radioaktivitet, der er til stede i snavs og støv. Selve bjerget yder beskyttelse mod de kosmiske stråler, der kontinuerligt bombarderer overfladen af ​​vores planet. Sådan beskyttelse er nødvendig, siden opgaven med SuperNEMO er at se over syv kilo selen og søge efter en af ​​de sjældneste former for radioaktivitet, der er:dobbelt-beta-henfald.

Alle radioaktive elementer er ustabile og henfalder (splittes) til en stabil tilstand på grund af ændringer i atomkernen (som består af protoner og neutroner). Dobbelt-beta henfald er en proces, hvor to neutroner i en selenkerne samtidigt henfalder til protoner, mens de udsender to elektroner og to partikler kaldet antineutrinos.

Antineutrinos er et eksempel på "antimaterie". Alle stofpartikler har antipartikelversioner af sig selv - næsten identiske, men med modsat ladning. Når en partikel og en antipartikel mødes, de tilintetgør i et glimt af energi.

Enigmatiske partikler

Antineutrinos er gådefulde. Tag den måde, de snurrer på, for eksempel. Mange partikler snurrer, når de rejser, men neutrinoer synes kun at dreje på en måde. Alle neutrinoer drejer mod uret mens de rejser - og alle antineutrinoer drejer med uret. Vi aner ikke, hvorfor det er tilfældet.

Så er der deres masse:neutrinoer er mange, mange gange lettere end nogen anden partikel med masse - så meget lettere, at vi endnu ikke har været i stand til direkte at måle deres lille masse. Neutrinoen er en outlier blandt partikler - og når forskere ser outliers, vi kan ikke lade være med at formode, at der er en dybere mening bag inkonsekvensen, som kunne afsløre dyb sandhed om naturlovene. Frøene til en teori til forklaring af neutrinoens mange excentriciteter ligger i en relativt dagligdags observation:i modsætning til andre partikler, neutrinoen har ingen elektrisk ladning.

Men uden elektrisk ladning, hvordan adskiller antineutrino sig fra neutrino? Der er bestemt en vis forskel. De slags neutrinoer og antineutrinoer, SuperNEMO ser på, er af den såkaldte elektrontype. Når neutrinoerne interagerer med stof, producerer de negativt ladede elektroner, men når antineutrinoerne interagerer med stof, producerer de positivt ladede positroner, elektronens antipartikel. Men før neutrino eller antineutrino interagerer, hvordan ved den hvilken det er?

Dette dybtgående spørgsmål fik den italienske fysiker Ettore Majorana til at overveje, om neutrino og antineutrino faktisk kunne være nøjagtig den samme partikel, bare snurrer i modsatte retninger.

Hvis antineutrinoerne skabt i det dobbelte beta-henfald, som SuperNEMO leder efter, har evnen til at opføre sig som neutrinoer, så kan lejlighedsvis en af ​​dem gøre det. Det ville betyde, at du havde en antineutrino og en neutrino ved siden af ​​hinanden - hvilket ville betyde, at de kunne tilintetgøre hinanden. Skulle det ske, de to elektroner, der blev produceret i dobbelt-beta-henfaldet, ville få et ekstra spark af energi fra tilintetgørelsen-og det er det, SuperNEMO leder efter:et lille energikick, der ville kræve, at vi gentænker, hvordan stof og antimaterie hænger sammen.

Tålmodighed er nøglen til denne søgning. Halveringstiden for dobbelt beta-henfald i selen-det er den tid, du skal vente, før et atom har 50% chance for at være forfaldet-er 10 ²⁰ flere år. Det er en 1 med 20 nuller efter den:tag universets levetid og tilføj yderligere ti nuller. Og selv når der sker et dobbelt beta-henfald, chancen for at de to antineutrinoer tilintetgøres er lille - hvis det overhovedet sker. Vi gør det op ved at have mange selenatomer i vores detektor, men stadig ser vi ud til kun et eller to sådanne henfald hvert år.

Stoffets oprindelse

Hvis vi observerer et sådant radioaktivt henfald, bliver vi nødt til at omskrive den vellykkede standardmodel for partikelfysik. Dette ville være en kæmpe opdagelse i sig selv. Standardmodellen indeholder strenge regler, kaldet bevaringslove, om hvad der kan og ikke kan ske i partikelforfald og interaktioner. Hvis vores to antineutrinos tilintetgøres (fordi den ene opførte sig som en neutrino dengang), så ville det dobbelte beta-henfald producere to stoflignende elektroner og ingen antimateriale til at balancere dem. Det er ikke tilladt i standardmodellen, som kræver, at stof og antimateriale altid produceres i lige store mængder.

Dette bringer os til et af de mest dybtgående fysiske spørgsmål:hvorfor er der mere stof end antimateriale i universet? Du tror måske, at vi allerede kender svaret på det:Big Bang producerede alt. Godt, ja det gjorde, men det skulle også have produceret en lige stor mængde antimateriale. Så hvorfor tilintetgjorde alt sagen og antimateriale ikke hinanden for ikke at efterlade andet end et hav af lys?

Hvis neutrino og antineutrino faktisk er den samme partikel, den resulterende reviderede standardmodel ville give dig mulighed for at tilføje flere af disse neutrino-lignende partikler til din model. Nogle af disse neutrino-lignende partikler kan være tunge frem for lette; og jeg mener meget tung - så tung, at Large Hadron Collider ikke har været i stand til at producere dem, og så tunge, at de kun var almindelige i det varme, tætte forhold i det meget tidlige univers.

Da denne reviderede standardmodel har en mekanisme til at bryde symmetrien mellem stof og antimateriale, disse supertunge neutrinoer har også evnen til at "vælge" at henfalde til stof frem for antimateriale, giver det tidlige univers den ekstra ting, vi nu ser. Hvis det ikke gjorde det, alt sagen og antimateriale ville have udslettet hinanden, og der ville ikke være nogen stjerner, planeterne, og os.

Så hvis du nogensinde er i Savoy -regionen i Frankrig, nyde lidt après-ski efter en dag på pisterne, spar en tanke til SuperNEMO -detektoren - og partikelfysikerne som mig, dybt under dig, venter tålmodigt på det radioaktive henfald, der bare kan forklare, hvordan du kom der.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.