لسنوات حتى الآن ، أخفى فريق دولي من الباحثين أنفسهم في أعماق تحت جبل في وسط إيطاليا ، وجمعوا بلا كلل القياسات الأكثر حساسية من أبرد متر مكعب في الكون المعروف. يبحث العلماء عن أدلة على أن الجسيمات الشبحية المسماة النيوترينوات لا يمكن تمييزها عن نظيراتها المضادة للمادة. إذا ثبت أن الاكتشاف يمكن أن يحل اللغز الكوني الذي أصاب الفيزيائيين لعقود: لماذا توجد المادة على الإطلاق؟
لقد عرفوا منذ فترة طويلة أن المادة لها مادة مضادة مزدوجة توصف بأنها مادة مضادة. لكل جسيم أساسي في الكون ، يوجد جسيم مضاد مماثل تقريبًا لأخيه ، بنفس الكتلة ولكن الشحنة المعاكسة. عندما يلتقي الجسيمات والجسيمات المضادة وجهاً لوجه ، فإنها تقضي على بعضها البعض ، مما يخلق طاقة نقية.
قال توماس أودونيل ، أستاذ الفيزياء في جامعة فيرجينيا للتكنولوجيا لـ Live Science: "لدينا هذا التناظر الكامل الواضح بين المحاسبة بين المادة والمادة المضادة". "في كل مرة تصنع فيها قطعة من المادة ، تصنع أيضًا قطعة موازنة من المادة المضادة ، وفي كل مرة تقوم فيها بتدمير قطعة من المادة ، يجب عليك تدمير قطعة من المادة المضادة. إذا كان هذا صحيحًا ، فلا يمكنك أبدًا الحصول على أكثر من نوع واحد من الآخر ".
هذا التناظر يتعارض مع فهمنا الحالي لكيفية بدء الكون. وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، عندما توسع الكون من تفرد لا متناهي منذ حوالي 13.8 مليار سنة ، يُعتقد أن كميات متساوية من المادة والمادة المضادة ظهرت إلى الوجود. ومع ذلك ، عندما ينظر الفلكيون إلى الكون اليوم ، يتكون الكون بالكامل تقريبًا من المادة مع عدم وجود أي من التوأم الشرير في الأفق. والأكثر إثارة للقلق ، إذا كانت نظرية الانفجار العظيم صحيحة ، فنحن - نعم ، البشر - لا يجب أن نكون هنا اليوم.
"إذا كانت المادة والمادة المضادة تطيعان هذا التناظر تمامًا ، فعندما تطور الكون ، فإن كل المادة والمادة المضادة ستبادان في الفوتونات ولن تكون هناك أي مواد متبقية للنجوم أو الكواكب أو حتى الخلايا البشرية. لن نكون موجودين!" قال أودونيل. "السؤال الكبير إذن هو:" هل انكسر هذا النظام المحاسبي في وقت ما خلال تطور الكون؟ "
هذا السؤال هو ما يأمل أودونيل وزملاؤه في الإجابة عنه. على مدار العامين الماضيين ، قام فريقهم بجمع وتحليل البيانات من تجربة CUORE (مرصد تحت الأرض للأحداث النادرة) في مختبر Gran Sasso الوطني في إيطاليا ، بحثًا عن بندقية التدخين التي من شأنها أن تريح هذا اللغز الكوني.
المحايدة قليلا
تبحث CUORE ، التي تعني "القلب" بالإيطالية ، عن دليل على أن الجسيمات دون الذرية المراوغة والتي تسمى النيوترينوات هي جسيماتها المضادة الخاصة بها ، وهو ما يطلق عليه الفيزيائيون جسيم Majorana. من الصعب للغاية اكتشاف النيوترينوات ، التي تمر مثل الطيف عبر معظم المواد. في الواقع ، وفقًا لوكالة ناسا ، تمر تريليونات النيوترينوات الناشئة عن الفرن النووي الناري لشمسنا عبر أجسامنا كل ثانية.
تبحث تجربة CUORE عن توقيع Neurinos Neutrinos الذي يبيد بعضنا البعض في عملية تسمى تحلل بيتا مزدوج النيوترينول. في اضمحلال بيتا مزدوج عادي ، يتحول نيوترونان داخل نواة الذرة في وقت واحد إلى بروتونين ، ينبعث منهما زوج من الإلكترونات ومضادات النيوترينو. هذا الحدث النووي ، على الرغم من أنه نادر للغاية ويحدث مرة واحدة فقط كل 100 كوينتيليون سنة (10 ^ 20) لذرة فردية ، فقد لوحظ في الحياة الحقيقية.
ومع ذلك ، إذا كان الباحثون على صواب وكان النيوترينوات جزيئات مايورانا حقيقية (فهي جسيماتهم المضادة الخاصة بهم) ، فعندئذ يمكن أن يقضي اثنان من مضادات النيترونات التي تم إنشاؤها خلال التسوس على بعضهما البعض ويخلقان تحلل بيتا مزدوج النيوترونات. النتيجة؟ مجرد إلكترونات ، وهي "مادة عادية". إذا ثبت أن هذه العملية صحيحة ، فقد تكون مسؤولة عن زرع الكون المبكر بالمادة العادية. ومع ذلك ، فإن مراقبة هذه العملية قصة أخرى. يقدر العلماء انحلال بيتا مزدوج النيترينولاز (إذا كان موجودًا على الإطلاق) ، قد يحدث مرة واحدة فقط في كل 10 سبتليون سنة (10 ^ 25).
قال أودونيل ، وهو عضو في تعاون CUORE ، "إن وضع النيوترينولس هو الذي نريد حقًا رؤيته ، فهو يكسر القواعد ويخلق المادة بدون المادة المضادة". "سيكون أول دليل على حل حقيقي لعدم تناسق المادة المضادة."
يبحث كاشف CUORE عن توقيع الطاقة ، على شكل حرارة ، من الإلكترونات التي تم إنشاؤها أثناء التحلل الإشعاعي لذرات التيلوريوم. سوف يترك اضمحلال بيترين مزدوج النيترينولوس ذروة فريدة ومميزة في طيف طاقة الإلكترونات.
وقال كارلو بوتشي ، المنسق الفني لتعاون كوور ، في بيان ، "كور ، في جوهرها ، واحدة من أكثر موازين الحرارة حساسية في العالم".
تعد أداة CUORE ، التي تم تجميعها على مدى عقد من الزمن ، أبرد متر مكعب في الكون المعروف. تتكون من 988 بلورة على شكل مكعب مصنوعة من ثاني أكسيد التيلوريوم ، مبردة حتى 10 ملي كلفن ، أو ناقص 460 درجة فهرنهايت (ناقص 273 درجة مئوية) ، فقط شعرة فوق أبرد درجة حرارة تسمح بها الفيزياء. لحماية التجربة من التداخل الذي تسببه الجسيمات الخارجية مثل الأشعة الكونية ، يتم تغليف الكاشف في طبقة سميكة من الرصاص عالي النقاء يتم استردادها من حطام سفينة رومانية عمرها 2000 عام.
على الرغم من الإنجازات التكنولوجية التي حققها الفريق ، إلا أن العثور على حدث النيوترينولس لم يكن مهمة سهلة. قام الباحثون بأكثر من أربعة أضعاف البيانات التي تم جمعها منذ نتائجهم الأولية في عام 2017 ، مما يمثل أكبر مجموعة بيانات تم جمعها على الإطلاق من قبل كاشف الجسيمات من نوعه. وأظهرت نتائجهم الأخيرة ، المنشورة على قاعدة بيانات arXiv قبل الطباعة ، أنهم لم يجدوا دليلاً على تحلل بيتا مزدوج النيترينول.
لا يزال التعاون عازمًا على تعقب هذا الجسيم بعيد المنال. وقد وضعت نتائجهم قيودًا أكثر إحكامًا على الكتلة المتوقعة لنيوترينو مايورانا ، والتي يعتقدون أنها أخف بـ 5 ملايين مرة على الأقل من الإلكترون. يخطط الفريق لترقية CUORE بعد تشغيله الأولي لمدة خمس سنوات ، حيث يقدم نوعًا جديدًا من الكريستال الذي يأملون أن يحسّن حساسيته بشكل كبير.
وقال أودونيل: "إذا كان التاريخ متنبئًا جيدًا بالمستقبل ، فيمكننا أن نكون على يقين من أن دفع غلاف تقنيات الكاشف سيسمح لنا بفحص النيوترينوات بعمق متزايد". "آمل أن نكتشف اضمحلال بيتا مزدوج بيترين ، أو ربما شيء أكثر غرابة وغير متوقع."
