เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ทีมนักวิจัยนานาชาติได้ซ่อนตัวอยู่ลึกใต้ภูเขาในภาคกลางของอิตาลีเก็บรวบรวมการวัดที่ละเอียดอ่อนที่สุดจากลูกบาศก์ที่หนาวที่สุดในจักรวาลที่รู้จักกันอย่างไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อย นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นหาหลักฐานว่าอนุภาคผีที่เรียกว่านิวตริโนนั้นแยกไม่ออกจากคู่ปฏิสสาร หากพิสูจน์แล้วการค้นพบนี้สามารถแก้ไขปริศนาจักรวาลที่มีนักฟิสิกส์มาหลายทศวรรษได้: ทำไมเรื่องนี้ถึงมีอยู่จริง?
พวกเขารู้มานานแล้วว่าสสารนั้นมีคู่ที่ชั่วร้ายขนานนามปฏิสสาร สำหรับอนุภาคพื้นฐานทุกตัวในจักรวาลมีปฏิปักษ์ที่เกือบจะเหมือนกับพี่น้องของมันโดยมีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงข้าม เมื่ออนุภาคและปฏิปักษ์พบกันตัวต่อตัวพวกมันจะทำลายซึ่งกันและกันและสร้างพลังงานบริสุทธิ์
“ เรามีสมมาตรที่สมบูรณ์แบบนี้ชัดเจนเกี่ยวกับการบัญชีระหว่างสสารและปฏิสสาร” โทมัสดอนเนลล์ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทคกล่าวกับ Live Science "ทุกครั้งที่คุณทำชิ้นส่วนคุณจะสร้างชิ้นส่วนที่มีปฏิสสารที่สมดุลและทุกครั้งที่คุณทำลายชิ้นส่วนของสสารคุณจะต้องทำลายชิ้นส่วนของปฏิสสารถ้าเป็นจริงคุณจะไม่สามารถมีมากกว่าหนึ่งประเภท กว่าที่อื่น "
ความสมมาตรนี้ขัดแย้งกับความเข้าใจในปัจจุบันของเราว่าจักรวาลเริ่มต้นอย่างไร ตามทฤษฎีของบิกแบงเมื่อจักรวาลขยายจากเอกฐานที่น้อยมากเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อนเชื่อว่าสสารและแอนทายแมทเทอร์มีจำนวนเท่ากัน อย่างไรก็ตามเมื่อนักดาราศาสตร์มองดูเอกภพในทุกวันนี้จักรวาลนั้นประกอบไปด้วยสสารเกือบทั้งหมดโดยที่ไม่มีคู่แฝดชั่วร้ายในสายตา ยิ่งหนักใจถ้าทฤษฎีบิ๊กแบงถูกต้องแล้วเรา - ใช่มนุษย์ - ไม่ควรอยู่ที่นี่วันนี้
"ถ้าสสารและปฏิสสารเชื่อฟังสมมาตรนี้อย่างสมบูรณ์ดังนั้นเมื่อเอกภพวิวัฒนาการวิวัฒนาการสสารและปฏิสสารทั้งหมดจะถูกทำลายเป็นโฟตอนและจะไม่มีเรื่องเหลือสำหรับดาวดาวเคราะห์หรือแม้แต่เซลล์มนุษย์เราจะไม่มีตัวตน!" O'Donnell กล่าว "คำถามสำคัญก็คือ: 'รูปแบบการบัญชีนี้ไม่ได้เกิดขึ้นบ้างในช่วงวิวัฒนาการของเอกภพหรือไม่"
คำถามนั้นคือสิ่งที่ O'Donnell และเพื่อนร่วมงานหวังที่จะตอบ ในช่วงสองปีที่ผ่านมาทีมของพวกเขาได้รวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลจากการทดลอง CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Gran Sasso ในอิตาลีมองหาปืนสูบบุหรี่ที่จะทำให้ความลึกลับของจักรวาลหยุดพัก
คนที่เป็นกลางน้อย
CUORE ซึ่งแปลว่า "หัวใจ" ในภาษาอิตาลีกำลังค้นหาหลักฐานว่าอนุภาคอนุภาคย่อยที่เรียกว่านิวตริโนเป็นปฏิปักษ์ของพวกมันเองสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า Majorana นิวตริโนซึ่งผ่านเหมือนผู้ชมผ่านสสารส่วนใหญ่นั้นยากที่จะตรวจจับได้ ในความเป็นจริงตามที่ NASA ล้านล้านนิวตริโนเริ่มต้นจากเตานิวเคลียร์ที่ร้อนแรงของดวงอาทิตย์ของเราผ่านร่างกายของเราทุกวินาที
การทดลอง CUORE มองหาลายเซ็นของ Majorana neutrinos ทำลายซึ่งกันและกันในกระบวนการที่เรียกว่า neutrinoless double-beta decay ในการสลายตัวแบบ double-beta สามัญสองนิวตรอนภายในนิวเคลียสของอะตอมพร้อมกันแปรเปลี่ยนเป็นสองโปรตอนเปล่งอิเล็กตรอนและแอนทีนิวทีโนคู่หนึ่งออกมา เหตุการณ์นิวเคลียร์นี้ถึงแม้จะหายากมากและเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวทุก ๆ 100 ล้าน quint ล้านปี (10 ^ 20) สำหรับแต่ละอะตอมมีการสังเกตในชีวิตจริง
อย่างไรก็ตามหากนักวิจัยมีความถูกต้องและนิวตริโนเป็นอนุภาค Majorana จริง (เป็นปฏิปักษ์ของมันเอง) ดังนั้นแอนตินิวตริโนสองตัวที่สร้างขึ้นในระหว่างการสลายตัวอาจทำลายซึ่งกันและกันและสร้างนิวทริโนเลส ผลลัพธ์? แค่อิเล็กตรอนซึ่งเป็น "เรื่องธรรมดา" หากกระบวนการนี้พิสูจน์ได้จริงมันอาจจะเป็นความรับผิดชอบของการสร้างเอกภพยุคแรกด้วยเรื่องธรรมดา อย่างไรก็ตามการสังเกตกระบวนการนี้เป็นอีกเรื่องหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ประเมินการสลายตัวของนิวทริโนเลสแบบ double-beta (ถ้ามีอยู่ทั้งหมด) อาจเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวในทุกๆ 10 ล้านปี (10 ^ 25)
“ โหมดนิวทริโนเลสเป็นโหมดที่เราต้องการเห็นจริง ๆ มันจะทำผิดกฎสร้างสสารโดยไม่มีปฏิสสาร” O'Donnell ผู้ซึ่งเป็นสมาชิกของการทำงานร่วมกันของ CUORE กล่าว "มันจะเป็นเบาะแสแรกในการแก้ปัญหาที่แท้จริงของความไม่สมดุลของสสาร - ปฏิสสาร"
เครื่องตรวจจับ CUORE มองหาลายเซ็นพลังงานในรูปแบบของความร้อนจากอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นในช่วงการสลายตัวของอะตอมเทลลูเรียม การสลายตัวของ Neutrinoless double-beta จะทำให้จุดสูงสุดที่ไม่เหมือนใครและแตกต่างในสเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอน
"CUORE เป็นเครื่องวัดอุณหภูมิที่สำคัญที่สุดเครื่องหนึ่งของโลก" คาร์โลบูชิผู้ประสานงานด้านเทคนิคสำหรับการทำงานร่วมกันของ CUORE กล่าวในแถลงการณ์
ประกอบขึ้นเป็นทศวรรษตราสาร CUORE เป็นลูกบาศก์เมตรที่หนาวที่สุดในจักรวาลที่รู้จัก ประกอบด้วยผลึกรูปลูกบาศก์ 988 ที่ทำจากเทลลูเรียมไดออกไซด์เย็นถึง 10 มิลลิเคลวินหรือลบ 460 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 273 องศาเซลเซียส) เพียงเส้นผมเหนือฟิสิกส์อุณหภูมิที่เย็นที่สุดจะช่วยให้ เพื่อป้องกันการทดลองจากการแทรกแซงของอนุภาคภายนอกเช่นรังสีคอสมิกเครื่องตรวจจับนั้นถูกห่อหุ้มด้วยตะกั่วบริสุทธิ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งถูกกู้คืนมาจากซากเรือโรมันอายุ 2,000 ปี
แม้จะมีความสำเร็จทางเทคโนโลยีของทีมการค้นหาเหตุการณ์นิวทริโอเลสได้พิสูจน์แล้วว่าไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิจัยได้เพิ่มมากกว่าสี่เท่าของข้อมูลที่รวบรวมไว้ตั้งแต่ผลการเริ่มต้นในปี 2560 ซึ่งเป็นชุดข้อมูลที่ใหญ่ที่สุดที่เคยเก็บรวบรวมโดยเครื่องตรวจจับอนุภาคชนิดนี้ ผลลัพธ์ล่าสุดของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในฐานข้อมูล preprint ของ arXiv แสดงว่าพวกเขาไม่พบหลักฐานของการสลายตัวของนิวทริโนเลสแบบดับเบิลเบต้า
ความร่วมมือดังกล่าวยังคงมุ่งมั่นที่จะตามล่าตัวแทนอนุภาคคู่ที่เข้าใจยากนี้ ผลลัพธ์ของพวกเขานั้นมีความเข้มงวดมากขึ้นกับมวลที่คาดหวังของ Majorana neutrino ซึ่งพวกเขาเชื่อว่ามีน้ำหนักเบากว่าอิเล็กตรอนอย่างน้อย 5 ล้านเท่า ทีมมีแผนที่จะอัพเกรด CUORE หลังจากเริ่มใช้งานห้าปีเริ่มต้นแนะนำคริสตัลชนิดใหม่ที่พวกเขาหวังว่าจะช่วยเพิ่มความไวได้อย่างมากมาย
“ หากประวัติศาสตร์เป็นตัวทำนายอนาคตที่ดีเราก็มั่นใจได้ว่าการผลักซองจดหมายของเทคโนโลยีเครื่องตรวจจับจะช่วยให้เราตรวจสอบนิวตริโนด้วยความลึกที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ” โอดอนเนลล์กล่าว "หวังว่าเราจะค้นพบการสลายตัวของนิวทริโนเลสแบบ double-beta หรืออาจเป็นสิ่งที่แปลกใหม่และคาดไม่ถึง"
