Forskning sætter nye grænser for neutrinoers bizarre adfærd

I et laboratorium under et bjerg bruger fysikere krystaller langt koldere end frossen luft til at studere spøgelsesagtige partikler i håb om at lære hemmeligheder fra universets begyndelse. Forskere ved Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) annoncerede i denne uge, at de havde sat nogle af de hidtil strengeste grænser for den mærkelige mulighed for, at neutrinoen er sin egen antipartikel. Neutrinoer er dybt usædvanlige partikler, så æteriske og så allestedsnærværende, at de regelmæssigt passerer gennem vores kroppe, uden at vi bemærker det. CUORE har brugt de sidste tre år på tålmodigt at vente på at se beviser for en karakteristisk nuklear henfaldsproces, kun mulig, hvis neutrinoer og antineutrinoer er den samme partikel. CUOREs nye data viser, at dette forfald ikke sker i billioner af billioner af år, hvis det overhovedet sker. CUOREs grænser for disse små fantomers adfærd er en afgørende del af søgen efter det næste gennembrud inden for partikel- og kernefysik – og søgen efter vores egen oprindelse.

"I sidste ende forsøger vi at forstå stofskabelse," sagde Carlo Bucci, forsker ved Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) i Italien og talsmand for CUORE. "Vi leder efter en proces, der krænker en grundlæggende symmetri i naturen," tilføjede Roger Huang, en postdoc-forsker ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og en af ​​hovedforfatterne af det nye studie.

CUORE – italiensk for "hjerte" – er blandt de mest følsomme neutrinoeksperimenter i verden. De nye resultater fra CUORE er baseret på et datasæt, der er ti gange større end nogen anden højopløsningssøgning, indsamlet over de sidste tre år. CUORE drives af et internationalt forskningssamarbejde, ledet af Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) i Italien og Berkeley Lab i USA. Selve CUORE-detektoren er placeret under næsten 1,5 km solid sten ved LNGS, en facilitet i INFN. U.S. Department of Energy-støttede kernefysikere spiller en førende videnskabelig og teknisk rolle i dette eksperiment. CUOREs nye resultater blev offentliggjort i dag i Nature .

Besynderlige partikler

Neutrinoer er overalt – der er billioner af neutrinoer, der passerer alene gennem din thumbnail, mens du læser denne sætning. De er usynlige for de to stærkeste kræfter i universet, elektromagnetisme og den stærke kernekraft, som tillader dem at passere lige igennem dig, Jorden og næsten alt andet uden at interagere. På trods af deres store antal gør deres gådefulde natur dem meget vanskelige at studere og har efterladt fysikere kløende sig i hovedet, lige siden de først blev postuleret for over 90 år siden. Man vidste ikke engang, om neutrinoer overhovedet havde nogen masse, før slutningen af ​​1990'erne - som det viser sig, har de, omend ikke ret meget.

Et af de mange resterende åbne spørgsmål om neutrinoer er, om de er deres egne antipartikler. Alle partikler har antipartikler, deres eget antistof-modstykke:elektroner har antielektroner (positroner), kvarker har antikvarker, og neutroner og protoner (som udgør kernerne af atomer) har antineutroner og antiprotoner. Men i modsætning til alle disse partikler er det teoretisk muligt for neutrinoer at være deres egne antipartikler. Sådanne partikler, der er deres egne antipartikler, blev først postuleret af den italienske fysiker Ettore Majorana i 1937 og er kendt som Majorana-fermioner.

Hvis neutrinoer er Majorana-fermioner, kan det forklare et dybt spørgsmål, der ligger til grund for vores egen eksistens:hvorfor der er så meget mere stof end antistof i universet. Neutrinoer og elektroner er begge leptoner, en slags fundamental partikel. En af naturens grundlæggende love ser ud til at være, at antallet af leptoner altid bevares - hvis en proces skaber en lepton, skal den også skabe en anti-lepton for at balancere den. På samme måde er partikler som protoner og neutroner kendt som baryoner, og baryontallet ser også ud til at være bevaret. Men hvis baryon- og leptontal altid var bevaret, ville der være nøjagtig lige så meget stof i universet som antistof – og i det tidlige univers ville stoffet og antistoffet have mødt hinanden og udslettet, og vi ville ikke eksistere. Noget må krænke den nøjagtige bevarelse af baryoner og leptoner. Gå ind i neutrinoen:hvis neutrinoer er deres egne antipartikler, så behøver leptontallet ikke at blive bevaret, og vores eksistens bliver meget mindre mystisk.

"Materie-antistof-asymmetrien i universet er stadig uforklarlig," sagde Huang. "Hvis neutrinoer er deres egne antipartikler, kan det hjælpe med at forklare det."

Dette er heller ikke det eneste spørgsmål, der kunne besvares af en Majorana neutrino. Neutrinoers ekstreme lethed, omkring en million gange lettere end elektronen, har længe været forvirrende for partikelfysikere. Men hvis neutrinoer er deres egne antipartikler, så kunne en eksisterende løsning kendt som "vippemekanismen" forklare neutrinoers lethed på en elegant og naturlig måde.

En sjælden enhed til sjældne henfald

Men det er svært at afgøre, om neutrinoer er deres egne antipartikler, netop fordi de slet ikke interagerer særlig ofte. Fysikeres bedste værktøj til at lede efter Majorana neutrinoer er en hypotetisk form for radioaktivt henfald kaldet neutrinoløst dobbelt beta-henfald. Beta-henfald er en ret almindelig form for henfald i nogle atomer, der gør en neutron i atomets kerne til en proton, ændrer det kemiske element i atomet og udsender en elektron og en anti-neutrino i processen. Dobbelt beta-henfald er mere sjældent:I stedet for at en neutron bliver til en proton, gør to af dem det, og udsender to elektroner og to anti-neutrinoer i processen. Men hvis neutrinoen er en Majorana-fermion, så ville det teoretisk set tillade en enkelt "virtuel" neutrino, der fungerer som sin egen antipartikel, at tage pladsen for begge anti-neutrinoer i dobbelt beta-henfald. Kun de to elektroner ville komme ud af atomkernen. Neutrinoløst dobbelt-beta-henfald har været teoretiseret i årtier, men det er aldrig set.

CUORE-eksperimentet er gået langt for at fange telluratomer under dette henfald. Forsøget bruger næsten tusind meget rene krystaller af telluroxid, der tilsammen vejer over 700 kg. Så meget tellur er nødvendigt, fordi det i gennemsnit tager milliarder af gange længere end universets nuværende alder for et enkelt ustabilt atom af tellur at gennemgå almindeligt dobbelt beta-henfald. Men der er billioner af billioner af telluratomer i hver af de krystaller, CUORE bruger, hvilket betyder, at almindeligt dobbelt beta-henfald sker ret regelmæssigt i detektoren, omkring et par gange om dagen i hver krystal. Neutrinoløst dobbelt beta-henfald, hvis det overhovedet sker, er endnu mere sjældent, og derfor skal CUORE-teamet arbejde hårdt for at fjerne så mange kilder til baggrundsstråling som muligt. For at beskytte detektoren mod kosmiske stråler er hele systemet placeret under bjerget Gran Sasso, det største bjerg på den italienske halvø. Yderligere afskærmning ydes af flere tons bly. Men frisk udvundet bly er let radioaktivt på grund af forurening med uran og andre grundstoffer, hvor radioaktiviteten falder over tid - så det bly, der bruges til at omgive den mest følsomme del af CUORE, er for det meste bly, der er genvundet fra et sunket gammelt romersk skib, næsten 2000 år gammelt .

Det måske mest imponerende stykke maskineri, der bruges på CUORE, er kryostaten, som holder detektoren kold. For at detektere neutrinolfrit dobbelt beta-henfald overvåges temperaturen af ​​hver krystal i CUORE-detektoren omhyggeligt med sensorer, der er i stand til at detektere en temperaturændring så lille som en ti tusindedel af en Celsius-grad. Neutrinoløst dobbelt beta-henfald har en specifik energisignatur og vil hæve temperaturen på en enkelt krystal med en veldefineret og genkendelig mængde. Men for at opretholde denne følsomhed skal detektoren holdes meget kold – specifikt holdes den omkring 10 mK, en hundrededel af en grad over det absolutte nulpunkt. "Dette er den koldeste kubikmeter i det kendte univers," sagde Laura Marini, en forsker ved Gran Sasso Science Institute og CUORE's Run Coordinator. Den resulterende følsomhed af detektoren er virkelig fænomenal. "Da der var store jordskælv i Chile og New Zealand, så vi faktisk glimt af det i vores detektor," sagde Marini. "Vi kan også se bølger slå ned på kysten ved Adriaterhavet, 60 kilometer væk. Det signal bliver større om vinteren, når der er storme."

En neutrino gennem hjertet

På trods af den fænomenale følsomhed har CUORE endnu ikke set beviser for neutrinolfrit dobbelt beta-henfald. I stedet har CUORE fastslået, at dette henfald i gennemsnit sker i et enkelt telluratom ikke oftere end én gang hver 22. billion trillion år. "Neutrinoløst dobbelt beta-henfald vil, hvis det observeres, være den sjældneste proces, der nogensinde er observeret i naturen, med en halveringstid mere end en million milliarder gange længere end universets alder," sagde Danielle Speller, adjunkt ved Johns Hopkins University og medlem af CUORE Physics Board. "CUORE er måske ikke følsom nok til at opdage dette henfald, selvom det sker, men det er vigtigt at tjekke. Nogle gange giver fysik overraskende resultater, og det er her, vi lærer mest." Selvom CUORE ikke finder beviser for neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, baner det vejen for den næste generation af eksperimenter. CUOREs efterfølger, CUORE-opgraderingen med partikelidentifikation (CUPID) er allerede i gang. CUPID vil være over 10 gange mere følsom end CUORE, hvilket potentielt giver den mulighed for at skimte beviser for en Majorana neutrino.

Men uanset noget andet, er CUORE en videnskabelig og teknologisk triumf - ikke kun for dens nye grænser for hastigheden af ​​neutrinofri dobbelt beta-henfald, men også for dens demonstration af sin kryostatteknologi. "Det er det største køleskab af sin art i verden," sagde Paolo Gorla, en stabsforsker ved LNGS og CUOREs tekniske koordinator. "Og det er blevet holdt på 10 mK kontinuerligt i omkring tre år nu." Sådan teknologi har anvendelser langt ud over grundlæggende partikelfysik. Specifikt kan det finde anvendelse inden for kvanteberegning, hvor det er en af ​​de store tekniske udfordringer på området at holde store mængder maskiner kolde nok og afskærmet fra miljøstråling til at manipulere på kvanteniveau.

I mellemtiden er CUORE ikke færdig endnu. "Vi vil være i drift indtil 2024," sagde Bucci. "Jeg er spændt på at se, hvad vi finder." + Udforsk yderligere

CUORE-eksperiment begrænser neutrinoegenskaber