במשך שנים, צוות חוקרים בינלאומי הסתתר את עצמם עמוק מתחת להר במרכז איטליה, אוסף ללא לאות את המידות הרגישות ביותר מהקוב הקרים ביותר ביקום הידוע. המדענים מחפשים ראיות לכך שחלקיקים רפאים המכונים נייטרינו אינם ניתנים להבחנה בין עמיתיהם למניעת חומר. אם הוכח, התגלית יכולה לפתור קונבולומה קוסמית שמטרידה את הפיזיקאים במשך עשרות שנים: מדוע בכלל קיים חומר?
הם ידעו זה מכבר כי לחומר יש תאום מרושע המכונה אנטי-חומר. לכל חלקיק מהותי ביקום קיים אנטי-חלקיק שהוא כמעט זהה לאחיו, עם אותה המסה אך מטען הפוך. כאשר חלקיק ואנטי-חלקיק נפגשים פנים אל פנים, הם משמידים זה את זה, ויוצרים אנרגיה טהורה.
תומס אודונל, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת וירג'יניה טק, אמר ל- Live Science: "יש לנו סימטריה מלאה לכאורה של הנהלת חשבונות בין חומר לאנטי-חומר". "בכל פעם שאתה מכין חתיכת חומר אתה גם מכין חתיכת איזון של איזון, וכל פעם שאתה משמיד חתיכת חומר, אתה חייב להרוס חתיכה של חומר אנטי. אם זה נכון, לעולם לא תוכל לקבל יותר מסוג אחד. מאשר האחר."
סימטריה זו עומדת בקנה אחד עם ההבנה הנוכחית שלנו כיצד התחיל היקום. על פי תיאוריית המפץ הגדול, כאשר היקום התפשט מייחודיות אינסופית לפני כ -13.8 מיליארד שנה, הוא האמין כי כמויות שוות של חומר ואנטי-חומר נוצרו. עם זאת, כאשר האסטרונומים משקיפים אל הקוסמוס בימינו, היקום מורכב כמעט כולו מחומר שאף אחד מהתאומים הרשע שלו לא נראה באופק. מטריד יותר, אם תיאוריית המפץ הגדול נכונה, אנחנו - כן, בני אדם - לא צריכים להיות כאן היום.
"אם החומר והאנטי-חומר נשמעים באופן מלא לסימטריה זו, אז ככל שהתפתח הקוסמוס, כל החומר והאנטי-חומר היו מחוסלים לפוטונים ולא היה נשאר כלום לכוכבים, כוכבי לכת או אפילו תאים אנושיים. אנחנו לא היינו קיימים!" אודונל אמר. "השאלה הגדולה היא אם כן: 'האם תוכנית חשבונאית זו נשברה מתישהו במהלך התפתחות היקום?'"
השאלה הזו היא מה שאודונל ועמיתים משתפי פעולה מקווים לענות. במהלך השנתיים האחרונות צוותם אסף וניתח נתונים מהניסוי CUORE (המצפה התחתית קריוגני לאירועים נדירים) במעבדה הלאומית גראן סאסו באיטליה, וחיפש את האקדח המעשן שיביא את המסתורין הקוסמי הזה למנוחה.
הקטנות הנייטרליות
CUORE, שמשמעותו "לב" באיטלקית, מחפש אחר עדויות לכך שחלקיקים תת-אטומיים חמקמקים המכונים נייטרינו הם אנטי-חלקיק משלהם, מה שמכנים הפיזיקאים חלקיק מיוראנה. Neutrinos, העוברים כמו צופים ברוב החומר, קשה מאוד לאתר. למעשה, על פי נאס"א, טריליוני נייטרינים שמקורם בכבשן הגרעיני הלוהט של השמש שלנו עוברים בגופנו בכל שנייה.
הניסוי של CUORE מחפש את חתימתם של נייטרינו של מיוראנה המחדדים זה את זה בתהליך הנקרא ריקבון כפול ביתא של נויטררינה. בדעיכה רגילה כפול-בטא, שני נויטרונים בתוך גרעין האטום הופכים בו זמנית לשני פרוטונים, ופולטים זוג אלקטרונים ונוגדי-נזילות. אירוע גרעיני זה, למרות שהוא נדיר ביותר ומתרחש רק פעם במאה רבעוני שנה (10 ^ 20) עבור אטום בודד, נצפה בחיים האמיתיים.
עם זאת, אם החוקרים צודקים והנייטרינים הם חלקיקי מיוראנה אמיתיים (הם אנטי-חלקיקים משלהם), הרי ששני האנטי-נוטרינו שנוצרו במהלך הדעיכה עלולים להשמיד זה את זה וליצור ריקבון כפול-בטא נטרולינול. התוצאה? רק אלקטרונים שהם "חומר רגיל". אם התהליך הזה יתברר כנכון, יתכן שהוא אחראי על זריעת היקום המוקדם בחומר רגיל. עם זאת, התבוננות בתהליך זה היא סיפור אחר. מדענים מעריכים כי דעיכה של נטע-נטרול ללא-בטא (אם היא קיימת בכלל), עשויה להתקיים פעם אחת בלבד בכל 10 ספטיליון שנים (10 ^ 25).
אודונל, שחבר בשיתוף הפעולה של CUORE, אמר כי "המצב הנייטרינול הוא זה שאנחנו באמת רוצים לראות. הוא היה מפר את החוקים ויוצר חומר ללא אנטי-חומר". "זה יהיה הרמז הראשון לפיתרון אמיתי של הא-סימטריה נגד חומר".
גלאי CUORE מחפש את חתימת האנרגיה, בצורה של חום, מהאלקטרונים שנוצרו במהלך התפרקות רדיואקטיבית של אטומי Tellurium. ריקבון כפול בטא Neutrinoless ישאיר שיא ייחודי ומובחן בספקטרום האנרגטי של האלקטרונים.
בהצהרה נמסר קרלו בוצ'י, הרכז הטכני לשיתוף הפעולה של CUORE, "CUORE הוא בעצם אחד המדחומים הרגישים בעולם.
מכשיר ה- CUORE, שהורכב במשך יותר מעשור, הוא המטר הקוק ביותר ביקום הידוע. הוא מורכב מ- 988 גבישים בצורת קוביה העשויים דו-תחמוצת טלוריום, מקוררים ל -10 מילי קלווין, או פחות מ- 460 מעלות פרנהייט (מינוס 273 מעלות צלזיוס), רק שיער מעל הטמפרטורה הקרה ביותר שהפיזיקה תאפשר. כדי להגן על הניסוי מפני הפרעות על ידי חלקיקים חיצוניים כמו קרניים קוסמיות, הגלאי עטוף בשכבה עבה של עופרת טהורה ביותר, שנמצאה מספינה טרומית רומית בת 2000 שנה.
למרות ההישגים הטכנולוגיים של הצוות, מציאת האירוע נטולי הנרין לא הוכחה כמשימה קלה. החוקרים פי ארבעה פי ארבעה את הנתונים שנאספו מאז התוצאות הראשוניות שלהם בשנת 2017, המייצגים את מערך הנתונים הגדול ביותר שנאסף אי פעם על ידי גלאי חלקיקים מסוגו. התוצאות האחרונות שפורסמו במאגר המידע ArXiv של ההדפסה המקדימה, מראות כי לא נמצאו עדויות לרקבון כפול ביתא של נויטררינה.
שיתוף הפעולה עדיין נחוש לצוד חלקיק סוכן כפול חמקמק זה. התוצאות שלהם הצמידו את המסה הצפויה של נייטרינו של מיוראנה לכוח חזק יותר, שלדעתם קל פי חמישה מאלקטרון. הצוות מתכנן לשדרג את CUORE לאחר ריצתו הראשונית של חמש שנים, תוך הצגת סוג גביש חדש שהם מקווים שישפר במידה רבה את הרגישות שלו.
"אם ההיסטוריה היא חיזוי טוב לעתיד, אנו יכולים להיות בטוחים למדי שדחיפת מעטפת טכנולוגיות הגלאי תאפשר לנו לבחון נייטרינים בעומק הולך וגדל", אמר אודונל. "יש לקוות שנגלה ריקבון כפול בטא של נויטררינה, או אולי משהו יותר אקזוטי ובלתי צפוי."
