Selama bertahun-tahun sekarang, pasukan penyelidik antarabangsa telah menyembunyikan diri di bawah gunung di Itali tengah, tanpa mengenakan pengukuran yang paling sensitif dari meter padu paling sejuk di alam semesta yang diketahui. Para saintis mencari bukti bahawa zarah hantu yang dipanggil neutrinos tidak dapat dibezakan daripada rakan antimaterinya sendiri. Sekiranya terbukti, penemuan ini dapat menyelesaikan satu teka-teki kosmik yang telah melanda ahli fizik selama beberapa dekad: Mengapa perkara wujud sama sekali?
Mereka telah lama mengetahui bahawa perkara itu mempunyai kembar jahat yang dijuluki antimatter. Bagi setiap zarah asas di alam semesta, terdapat antipartikel yang hampir sama dengan adiknya, dengan jisim yang sama tetapi bertentangan. Apabila zarah dan antipartikel bertemu secara bersemuka, mereka memusnahkan satu sama lain, mencipta tenaga tulen.
"Kami mempunyai simetri lengkap perakaunan antara perkara dan antimatter," Thomas O'Donnell, seorang profesor fizik di Virginia Tech University, memberitahu Live Science. "Setiap kali anda membuat sekeping bahan, anda juga membuat sekeping antimatter yang mengimbangi, dan setiap kali anda memusnahkan sekeping materi, anda mesti memusnahkan sekeping antimatter. Jika ini benar, anda tidak boleh mempunyai lebih daripada satu jenis daripada yang lain. "
Simetri ini bertentangan dengan pemahaman kita sekarang tentang bagaimana alam semesta bermula. Mengikut Teori Big Bang, apabila alam semesta berkembang dari keunikan yang sangat kecil sekitar 13.8 bilion tahun lalu, dipercayai bahawa jumlah bahan dan antimatter yang sama telah wujud. Walau bagaimanapun, apabila ahli-ahli astronomi mengamati alam semesta hari ini, alam semesta dikumpulkan hampir keseluruhannya dengan tiada kembarnya yang dilihat. Lebih menyusahkan, jika Big Bang Theory betul, maka kita - ya, manusia - tidak boleh berada di sini hari ini.
"Jika perkara dan antimatter mematuhi sepenuhnya simetri ini, maka apabila kosmos berkembang, semua perkara dan antimatter akan dimusnahkan menjadi foton dan tidak akan ada masalah untuk planet, planet atau sel manusia. O'Donnell berkata. "Persoalan besar kemudiannya ialah: 'Adakah skema perakaunan ini pecah ketika evolusi alam semesta?'"
Persoalannya ialah apa yang diharapkan oleh O'Donnell dan rakan usaha sama. Dalam tempoh dua tahun yang lalu, pasukan mereka telah mengumpul dan menganalisis data dari percubaan CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) di Gran Sasso National Laboratory di Itali, mencari senjata merokok yang akan meletakkan misteri kosmik ini untuk berehat.
Yang neutral sedikit
CUORE, yang bermaksud "hati" di dalam bahasa Itali, sedang mencari bukti bahawa zarah-zarah subatomus yang dipanggil neutrinos adalah antipartikel mereka sendiri, yang ahli fizik memanggil zarah Majorana. Neutrinos, yang menyerupai spektrum melalui kebanyakan perkara, sangat sukar untuk dikesan. Malah, menurut NASA, trillions neutrino yang berasal dari relau api nuklear matahari kita melalui badan kita setiap saat.
Percubaan CUORE mencari tandatangan neutrinos Majorana menghapuskan satu sama lain dalam proses yang dipanggil neutrinoless kerosakan beta dua kali. Dalam penghancuran beta dua biasa, dua neutron di dalam nukleus atom secara serentak berubah menjadi dua proton, memancarkan sepasang elektron dan antineutrinos. Kejadian nuklear ini, walaupun sangat jarang berlaku dan berlaku hanya sekali setiap 100,000 tahun (10 ^ 20) untuk atom individu, telah diperhatikan dalam kehidupan sebenar.
Walau bagaimanapun, jika penyelidik betul dan neutrinos adalah zarah Majorana sebenar (mereka adalah antipartikel mereka sendiri), maka kedua-dua antineutrinos yang dihasilkan semasa kerosakan itu boleh memusnahkan antara satu sama lain dan mencetuskan kerosakan beta-double neutrinoless. Keputusan? Hanya elektron, yang "perkara biasa." Jika proses ini terbukti benar, ia mungkin bertanggungjawab untuk membenamkan alam semesta awal dengan perkara biasa. Walau bagaimanapun, mengamati proses ini adalah satu lagi cerita. Para saintis menganggarkan kerosakan beta-double neutrinoless (jika ada), boleh berlaku hanya sekali dalam setiap 10 septillion tahun (10 ^ 25).
"Mod neutrinol adalah yang kita mahu lihat, ia akan melanggar peraturan, mewujudkan perkara tanpa antimatter," kata O'Donnell, yang merupakan ahli kerjasama CUORE. "Ini akan menjadi petunjuk pertama kepada penyelesaian sebenar dari segi-antimatter asimetri."
Pengesan CUORE mencari tandatangan tenaga, dalam bentuk haba, dari elektron yang dihasilkan semasa kerosakan radioaktif atom tellurium. Penghancuran beta dua kali ganda neutronolem akan meninggalkan puncak yang unik dan boleh dibezakan dalam spektrum tenaga elektron.
"CUORE adalah, pada dasarnya, salah satu termometer yang paling sensitif di dunia," kata Carlo Bucci, penyelaras teknikal untuk kerjasama CUORE, dalam satu kenyataan.
Dipasang selama sedekad, alat CUORE adalah meter padu paling sejuk di alam semesta yang diketahui. Ia terdiri daripada 988 kristal berbentuk kubus yang terbuat dari telurium dioksida, disejukkan kepada 10 milli-kelvin, atau tolak 460 darjah Fahrenheit (tolak 273 darjah Celcius), hanya rambut di atas fizik suhu yang paling sejuk akan membolehkan. Untuk melindungi eksperimen dari campur tangan oleh zarah luar seperti sinar kosmik, pengesan dibungkus dalam lapisan tebal yang sangat tulen yang didapatkan dari kapal karam Rom berusia 2,000 tahun.
Walaupun pencapaian teknologi pasukannya, mendapati peristiwa neutrinolya terbukti tidak menjadi tugas yang mudah. Para penyelidik mempunyai lebih daripada empat kali ganda data yang dikumpulkan sejak hasil awal mereka pada tahun 2017, mewakili kumpulan data terbesar yang pernah dikumpulkan oleh pengesan zarah jenisnya. Keputusan terkini mereka, yang diterbitkan di pangkalan data preprint arXiv, memperlihatkan mereka tidak menemui sebarang bukti kerosakan beta-double neutrinol.
Kerjasama itu masih bertekad untuk memburu zarah dobel ini. Hasilnya telah terikat dengan jisim yang diharapkan dari neutrino Majorana, yang mereka percaya adalah sekurang-kurangnya 5 juta kali lebih ringan daripada elektron. Pasukan ini mempunyai rancangan untuk menaik taraf CUORE selepas jangka masa lima tahun awalnya, memperkenalkan jenis kristal baru yang mereka harap akan meningkatkan sensitiviti mereka.
"Jika sejarah adalah ramalan yang baik pada masa depan, maka kita boleh agak pasti bahawa menolak sampul teknologi pengesan akan membolehkan kita meneliti neutrino dengan kedalaman yang semakin berkembang," kata O'Donnell. "Mudah-mudahan, kita akan menemui kerosakan beta dua kali ganda neutrinol, atau mungkin sesuatu yang lebih eksotik dan tidak dijangka."
