Neutrinii, particule fantomatice cu identitate dublă, ne-ar putea ajuta să înţelegem misterul existenţei
De mai mulţi ani, o echipă internaţională de cercetători coboară adânc în interiorul unui munte din centrul Italiei, adunând neobosiţi rezultatele unuia dintre cele mai sensibile experimente de măsurare realizate vreodată, în cel mai rece metru cub din Universul cunoscut. Cercetătorii caută dovada că fantomaticele particule denumite neutrini sunt indisociabile de corespondentul lor în antimaterie - cu alte cuvinte, dovada că neutrinii sunt simultan particule dar şi propriile lor antiparticule. Dacă identitatea dublă a neutrinilor va fi observată, ar putea explica un mister cu care se confruntă fizica încă de la începutul primelor observaţii ştiinţifice: de ce există materie? - conform unui material publicat marţi de Space.com .
De mult timp fizicienii cunosc că materia are o corespondentă perfect identică, dar de sarcină electrică opusă, denumită antimaterie. Pentru fiecare particulă fundamentală din Univers, există o antiparticulă identică dar cu sarcină electrică opusă. Atunci când o particulă îşi întâlneşte antiparticula, cele două se distrug reciproc, generând energie pură.
"Avem această simetrie aparent perfectă între materie şi antimaterie. De fiecare dată când obţii o particulă de materie, obţii şi una de antimaterie şi ori de câte ori distrugi o particulă de materie, distrugi şi una de antimaterie. Dacă acest raţionament este adevărat, atunci nu putem avea niciodată mai multă materie decât anitimaterie sau invers", a comentat Thomas O'Donnell, profesor de fizică la Virginia Tech University, într-o declaraţie pentru Live Science.
Însă această simetrie contravine modelului teoretic actual privind naşterea Universului. Astfel, conform teoriei Big Bang-ului, atunci când Universul s-a extins dintr-o singularitate infinitezimală, în urmă cu aproximativ 13,8 miliarde de ani, se crede că au apărut cantităţi egale de materie şi antimaterie. Problema este că în prezent întregul Univers abundă în materie, iar antimateria este de negăsit. Iar dacă teoria Big Bang-ului este corectă în această privinţă, atunci una dintre implicaţiile ei ar fi că oamenii nu ar trebui să existe.
"Dacă materia şi antimateria se supun pe deplin principiului simetriei, atunci, pe măsură ce cosmosul a evoluat, toată materia şi antimateria ar fi trebuit să se anihileze reciproc producând fotoni şi nu ar mai fi existat deloc materie care să formeze stele, planete sau celulele organismului uman", conform lui O'Donnell. Ar fi existat un Univers de lumină şi nimeni care să-l contemple din interior. "Marea întrebare care se pune este dacă acest mecanism s-a defectat cândva, în cursul evoluţiei Universului", a adăugat el.
Aceasta este întrebarea la care Thomas O'Donnell şi colegii săi încearcă să răspundă. În ultimii doi ani, echipa lor a centralizat şi analizat datele obţinute în cadrul experimentului CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), desfăşurat la Laboratorul Naţional Gran Sasso din Italia, în căutarea neutrinilor de la care fizicienii aşteaptă răspunsul la misterul existenţei.
Experimentul CUORE, care înseamnă "inimă" în limba italiană, caută dovezi că neutrinii sunt propriile lor antiparticule - ceea ce fizicienii denumesc "particule Majorana". Neutrinii, care trec precum nişte fantome prin materia barionică (ordinară), cu care nu interacţionează aproape deloc, sunt extrem de greu de detectat, tocmai din această cauză. Conform NASA, trilioane de neutrini care îşi au originea în reactorul de fuziune nucleară al Soarelui, trec nestingheriţi prin corpul nostru în fiecare secundă.
În cadrul experimentului CUORE fizicienii caută semnele lăsate de neutrinii Majorana (cu dublă identitate de particulă şi antiparticulă) care se anihilează reciproc într-un proces denumit "descompunere dublă-beta fără emisie de neutrini" (neutrinoless double-beta decay - ND-BD). În descompunerile dublu-beta ordinare, cu emisie de neutrini, doi neutroni din interiorul nucleului unui atom se transformă simultan în doi protoni, proces în care este emisă o pereche de electroni şi de antineutrini. Acest eveniment produs la nivel nuclear, deşi este extrem de rar, având loc, în medie, doar o dată la 10 la puterea 20 de ani (!) pentru un atom individual, a fost observat experimental.
Dacă însă ipoteza de la care au pornit cercetătorii este adevărată, iar neutrinii sunt într-adevăr particule Majorana, atunci cei doi antineutrini creaţi în cadrul procesului de descompunere, s-ar putea anihila reciproc, într-un proces de descompunere ND-BD. Rezultatul ar putea fi electroni, care fac parte din materia barionică. Dacă acest proces chiar se întâmplă, atunci "victoria" materiei în lupta cu antimateria din acest Univers poate fi explicată. Observarea acestui proces este însă incredibil de dificilă. Oamenii de ştiinţă estimează că procesul de descompunere dublă-beta fără emisie de neutrini, dacă există cu adevărat, ar putea să se producă cu o frecvenţă de doar o dată la fiecare 10 la puterea 25 ani (!).
"Ne dorim să observăm acest proces care pare să încalce toate regulile, generând materie fără corespondentul de antimaterie", a susţinut O'Donnell, care este membru al echipei CUORE. "Ar fi primul indiciu pentru o soluţie reală la asimetria dintre materie şi antimaterie".
Detectorul CUORE caută semnătura energiei, sub formă de căldură, de la electronii creaţi în cadrul procesului de descompunere radiactivă a atomilor de telur - telurul a fost descoperit în 1782 în minereul de aur de la minele din Zlatna, pe teritoriul actual al României (atunci în Imperiul Habsburgic), de către mineralogul austriac Franz-Joseph Müller von Reichenstein. Descompunerile duble-beta fără emisie de neutrini ar lăsa un vârf unic şi distinct în spectrul energetic al electronilor.
"CUORE este, în esenţă, unul dintre cele mai sensibile termometre din lume", explică şi Carlo Bucci, coordonator tehnic al experimentului CUORE.
Asamblat într-un interval de timp de peste 10 ani, instrumentul CUORE este cel mai rece metru cub din întregul Univers. Este format din 988 de cristale cubice realizate din dioxid de telur, răcit până la 10 mili-Kelvin (-273 grade Celsius), cu o fracţiune peste 0 absolut (-273,15 grade Celsius, cea mai scăzută temperatură permisă de fizică). Pentru a proteja acest experiment de interferenţa altor particule, aşa cum sunt radiaţiile cosmice, spre exemplu, detectorul este încapsulat într-un strat gros de plumb cu nivel ridicat de puritate.
În pofida tehnologiei moderne, detectarea unui eveniment de tip descompunere ND-BD s-a dovedit o sarcină extrem de dificilă. În perioada de timp de la lansarea acestui experiment, la 23 octombrie 2017, cercetătorii au strâns o cantitate enormă de date, cea mai mare pentru un detector de acest tip, însă nu au găsit nicio urmă a procesului de descompunere dublă-beta fără emisie de neutrini, conform rezultatelor publicate în arhiva ştiinţifică arXiv.
Experimentul CUORE continuă însă. Rezultatele obţinute au restrâns mult valoarea preconizată a masei unui neutrin Majorana, care se crede că este de cel puţin 5 milioane de ori mai uşor decât un electron. În perioada următoare sensibilitatea detectorului CUORE va fi crescută prin introducere unui nou tip de cristal, în speranţa că o sensibilitate mai ridicată va permite demonstrarea dualităţii materie-antimaterie a neutrinilor şi răspunsul la întrebarea fundamentală pentru fizică cu privire la existenţa materiei în Univers.AGERPRES
