Diep onder een berg in Italië, in de koudste kubieke meter van het bekende universum, zoeken wetenschappers naar bewijs dat spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, fungeren als hun eigen antimateriepartners. Wat deze onderzoekers vinden, zou de onbalans van materie en antimaterie in het universum kunnen verklaren.
Tot nu toe staan ze met lege handen.
De laatste resultaten van de eerste twee maanden van het CUORE-experiment (Cryogene Underground Observatory for Rare Events) in Gran Sasso, Italië, tonen geen spoor van een proces dat aantoont dat neutrino's, die worden gegenereerd door kosmische straling, hun eigen antimateriepartners zijn. Dit betekent dat als het proces zich voordoet, het zo zelden gebeurt dat het ongeveer eens in de 10 septiljoen (10 ^ 25) jaar plaatsvindt.
Het uiteindelijke doel van dit experiment is om een van de meest duurzame raadsels van het universum op te lossen, en een die suggereert dat we hier niet eens zouden moeten zijn. Dat raadsel bestaat omdat de theoretische oerknal - waarin een kleine bijzonderheid naar verluidt meer dan 13,8 miljard jaar of zo heeft opgeblazen om het universum te vormen - had moeten resulteren in een universum met 50 procent materie en 50 procent antimaterie.
Wanneer materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar en maken ze elkaar onbestaande.
Maar dat is niet wat we vandaag zien. In plaats daarvan is ons universum grotendeels materie en wetenschappers worstelen om te ontdekken wat er met al het antimaterie is gebeurd.
Dat is waar neutrino's binnenkomen.
Wat zijn neutrino's?
Neutrino's zijn kleine elementaire deeltjes met praktisch geen massa. Elk is kleiner dan een atoom, maar het zijn enkele van de meest voorkomende deeltjes in de natuur. Net als geesten kunnen ze mensen en muren passeren zonder dat iemand (zelfs de neutrino's) het merkt.
De meeste elementaire deeltjes hebben een vreemde antimaterie-tegenhanger, een antideeltje genaamd, dat dezelfde massa heeft als zijn normale materie-partner, maar de tegenovergestelde lading. Maar neutrino's zijn op zichzelf een beetje vreemd, in die zin dat ze nauwelijks massa hebben en ze zijn lasteloos. Dus, natuurkundigen hebben aangenomen dat ze hun eigen antideeltjes zouden kunnen zijn.
Wanneer een deeltje als zijn eigen antideeltje fungeert, wordt het een Majorana-deeltje genoemd.
"De theorieën die we momenteel hebben, vertellen ons simpelweg niet of neutrino's van dat type Majorana zijn. En het is een heel interessant ding om naar te zoeken, omdat we al weten dat we iets missen aan de neutrino's", theoretisch natuurkundige Sabine Hossenfelder, een fellow van het Frankfurt Institute for Advanced Studies in Duitsland, vertelde WordsSideKick.com. Hossenfelder, die geen deel uitmaakt van CUORE, verwijst naar de bizarre onverklaarbare kenmerken van neutrino's.
Als neutrino's Majorana's zijn, zouden ze in staat zijn om over te schakelen tussen materie en antimaterie. Als de meeste neutrino's bij de aanvang van het universum in gewone materie veranderden, zouden de onderzoekers kunnen verklaren waarom materie tegenwoordig belangrijker is dan antimaterie - en waarom we bestaan.
Het CUORE-experiment
Het bestuderen van neutrino's in een typisch laboratorium is moeilijk, omdat ze zelden interageren met andere materie en uiterst moeilijk te detecteren zijn - miljarden passeren elke minuut onopgemerkt door je heen. Het is ook moeilijk om ze te onderscheiden van andere stralingsbronnen. Daarom moesten natuurkundigen ondergronds gaan - bijna anderhalve kilometer onder het aardoppervlak - waar een gigantische stalen bol een neutrinodetector omhult die wordt beheerd door het Gran Sasso National Laboratory van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica.
Dit laboratorium is de thuisbasis van het CUORE-experiment, dat op zoek is naar bewijs van een proces dat neutrinoless double-beta decay wordt genoemd - een andere manier om te zeggen dat neutrino's fungeren als hun eigen antideeltjes. In een normaal dubbel-beta-vervalproces vervalt een kern en zendt twee elektronen en twee antineutrino's uit. Echter, neutrinoless double-beta decay zou geen antineutrino's uitstoten, omdat deze antineutrino's als hun eigen antideeltjes zouden kunnen dienen en elkaar zouden vernietigen.
In hun poging om dit proces te "zien", keken de natuurkundigen naar de energie die werd uitgestoten (in de vorm van warmte) tijdens het radioactieve verval van een isotoop van telluur. Als neutrinoless double-beta decay zou optreden, zou er een piek zijn bij een bepaald energieniveau.
Om deze warmte-energie nauwkeurig te detecteren en te meten, hebben de onderzoekers de koudste kubieke meter in het bekende universum gemaakt. Ze vergelijken het met een enorme thermometer met bijna 1.000 kristallen telluurdioxide (TeO2) die werken op 10 milli-kelvin (mK), wat minus 459.652 graden Fahrenheit (minus 273.14 graden Celsius) is.
Naarmate de radioactieve telluuratomen vervallen, zoeken deze detectoren naar die energiepiek.
"De waarneming dat neutrino's hun eigen antideeltjes zijn, zou een belangrijke ontdekking zijn en zou ons ertoe dwingen het algemeen aanvaarde standaardmodel van deeltjesfysica te herschrijven. Het zou ons vertellen dat er een nieuw en ander mechanisme is voor materie om massa te hebben", aldus onderzoeker Karsten. Heeger, een professor aan de Yale University, vertelde WordsSideKick.com.
En zelfs als CUORE niet definitief kan aantonen dat de neutrino zijn eigen antideeltje is, kan de technologie die in het onderzoek wordt gebruikt ook voor andere doeleinden worden gebruikt, zegt Lindley Winslow, assistent-professor natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology en onderdeel van het CUORE-team.
"De technologie die CUORE tot 10 mK afkoelt, is dezelfde die wordt gebruikt om supergeleidende circuits voor quantumcomputing te koelen. De volgende generatie quantumcomputers kan in een cryostaat in CUORE-stijl leven. Je zou ons early adopters kunnen noemen," vertelde Winslow Live Wetenschap.
