Forskere rapporterer første resultater fra neutrino bjergforsøg

Denne uge, et internationalt team af fysikere, herunder forskere på MIT, rapporterer de første resultater fra et underjordisk eksperiment, der er designet til at besvare et af fysikkens mest grundlæggende spørgsmål:Hvorfor er vores univers for det meste lavet af stof?

Ifølge teorien, Big Bang burde have produceret lige store mængder stof og antimateriale - sidstnævnte bestående af "antipartikler", der i det væsentlige er spejlbilleder af stof, kun bærer ladninger modsat protoners, elektroner, neutroner, og andre partikelmodparter. Og stadigvæk, vi lever i et decideret materielt univers, hovedsagelig lavet af galakser, stjerner, planeter, og alt, hvad vi ser omkring os - og meget lidt antimateriale.

Fysikere hævder, at en eller anden proces må have vippet balancen til fordel for stof i de første øjeblikke efter Big Bang. En sådan teoretisk proces involverer neutrinoen - en partikel, der, på trods af næsten ingen masse og meget lidt interaktion med andet stof, menes at gennemsyre universet, med billioner af de spøgelsesagtige partikler, der strømmer ufarligt gennem vores kroppe hvert sekund.

Der er en mulighed for, at neutrinoen kan være sin egen antipartikel, hvilket betyder, at det kan have evnen til at transformere mellem en materie og en antimaterieversion af sig selv. Hvis det er tilfældet, fysikere mener, at dette kan forklare universets ubalance, som tungere neutrinoer, produceret umiddelbart efter Big Bang, ville forfalde asymmetrisk, producerer mere stof, frem for antimateriale, versioner af sig selv.

En måde at bekræfte, at neutrinoen er sin egen antipartikel, er at opdage en yderst sjælden proces kendt som et "neutrinløst dobbelt-beta-henfald, "hvor en stabil isotop, såsom tellur eller xenon, afgiver visse partikler, herunder elektroner og antineutrinoer, som det naturligt forfalder. Hvis neutrinoen virkelig er sin egen antipartikel, så i henhold til fysikkens regler bør antineutrinoerne annullere hinanden, og denne henfaldsproces bør være "neutrinoløs". Ethvert mål for denne proces bør kun registrere de elektroner, der flygter fra isotopen.

Det underjordiske eksperiment kendt som CUORE, til det kryogene underjordiske observatorium for sjældne begivenheder, er designet til at detektere et neutrinløst dobbelt-beta-henfald fra det naturlige henfald af 988 krystaller af tellurdioxid. I et papir, der blev offentliggjort i denne uge i Fysisk gennemgangsbreve , forskere, herunder fysikere på MIT, rapport om de første to måneder med data indsamlet af CUORE (italiensk for "hjerte"). Og selvom de endnu ikke har opdaget den talende proces, de har været i stand til at sætte de strengeste grænser endnu for den tid, en sådan proces skulle tage, hvis den overhovedet findes. Baseret på deres resultater, de vurderer, at et enkelt atom af tellurium skal undergå et neutrinløst dobbeltbeta-henfald, højst, hver 10. septillion (1 efterfulgt af 25 nuller) år.

Under hensyntagen til det massive antal atomer i eksperimentets 988 krystaller, forskerne forudsiger, at de inden for de næste fem år skulle være i stand til at opdage mindst fem atomer, der gennemgår denne proces, hvis den findes, giver et definitivt bevis på, at neutrinoen er sin egen antipartikel.

"Det er en meget sjælden proces - hvis den observeres, det ville være det langsomste, der nogensinde er blevet målt, "siger CUORE -medlem Lindley Winslow, Jerrold R. Zacharias Karriereudviklingsassistent i fysik ved MIT, der ledede analysen. "Den store spænding her er, at vi var i stand til at køre 998 krystaller sammen, og nu er vi på vej til at prøve at se noget. "

CUORE -samarbejdet omfatter omkring 150 forskere primært fra Italien og USA, herunder Winslow og et lille team af postdocs og kandidatstuderende fra MIT.

Den koldeste terning i universet

CUORE -eksperimentet er placeret under jorden, begravet dybt inde i et bjerg i det centrale Italien, for at beskytte det mod ydre stimuli såsom konstant bombardement af stråling fra kilder i universet.

Eksperimentets hjerte er en detektor bestående af 19 tårne, hver indeholder 52 terningformede krystaller af tellurdioxid, i alt 988 krystaller i alt, med en masse på omkring 742 kilo, eller 1, 600 pund. Forskere vurderer, at denne mængde krystaller udgør omkring 100 septillionatomer af den særlige tellurisotop. Elektronik og temperatursensorer er knyttet til hver krystal for at overvåge tegn på deres forfald.

Hele detektoren befinder sig i et ultrakoldt køleskab, omtrent på størrelse med en automat, som holder en stabil temperatur på 6 millikelvin, eller -459,6 grader Fahrenheit. Forskere i samarbejdet har tidligere beregnet, at dette køleskab er den koldeste kubikmeter, der findes i universet.

Eksperimentet skal holdes overordentlig koldt for at detektere små ændringer i temperaturen genereret ved henfald af et enkelt telluratom. I en normal dobbeltbeta-henfaldsproces, et telluratom afgiver to elektroner, samt to antineutrinoer, som udgør en bestemt energi i form af varme. I tilfælde af neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, de to antineutrinoer bør annullere hinanden, og kun energien frigivet af de to elektroner ville blive genereret. Fysikere har tidligere beregnet, at denne energi skal være omkring 2,5 megaelektron volt (Mev).

I de første to måneder af CUOREs drift, forskere har i det væsentlige taget temperaturen på 988 telluriumkrystaller, på udkig efter en lille spids i energien omkring det 2,5 Mev mærke.

"CUORE er som et gigantisk termometer, "Winslow siger." Når du ser en varmeaflejring på en krystal, du ender med at se en puls, som du kan digitalisere. Derefter går du igennem og ser på disse pulser, og højden og bredden af ​​pulsen svarer til, hvor meget energi der var. Så zoomer du ind og tæller, hvor mange begivenheder der var ved 2,5 Mev, og vi så stort set ingenting. Hvilket nok er godt, fordi vi ikke forventede at se noget i de første to måneders data. "

Hjertet vil fortsætte

Resultaterne viser mere eller mindre, at inden for det korte vindue, hvor CUORE hidtil har opereret, ikke en af ​​de 1, 000 septillion telluratomer i detektoren undergik et neutrinløst dobbelt-beta-henfald. Statistisk set, dette betyder, at det ville tage mindst 10 septillion år, eller år, for et enkelt atom at gennemgå denne proces, hvis en neutrino faktisk er sin egen antipartikel.

"For telluriumdioxid, dette er den bedste grænse for levetiden for denne proces, vi nogensinde har fået, "Siger Winslow.

CUORE vil fortsat overvåge krystallerne i de næste fem år, og forskere designer nu eksperimentets næste generation, som de har døbt CUPID - en detektor, der vil lede efter den samme proces inden for et endnu større antal atomer. Ud over CUPID, Winslow siger, at der kun er en mere, større iteration, der ville være mulig, før forskere kan drage en endelig konklusion.

"Hvis vi ikke ser det inden for 10 til 15 år, derefter, medmindre naturen valgte noget virkelig underligt, neutrinoen er sandsynligvis ikke sin egen antipartikel, "Winslow siger." Partikelfysik fortæller dig, at der ikke er meget mere svingrum for neutrinoen til stadig at være sin egen antipartikel, og for at du ikke skal have set det. Der er ikke så mange steder at skjule sig. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.