W mrożącym krew w żyłach włoskim laboratorium naukowcy wykorzystują ekstremalnie zimne i starożytne materiały, aby rzucić wyzwanie istniejącym prawom fizyki.
Ich badania, mające na celu wykrycie zjawisk takich jak podwójny rozpad beta bez neutrin, mogą na nowo zdefiniować rozumienie materii i antymaterii we wszechświecie, angażując studentów w przełomowe eksperymenty.
Odkrywanie tajemnic wszechświata: włoskie laboratorium
W podziemnym laboratorium położonym pod Apeninami we Włoszech, gdzie osiągnięto najniższe temperatury w znanym wszechświecie, zespoły międzynarodowych naukowców pracują nad rozwikłaniem jednej z największych tajemnic fizyki cząstek elementarnych.
Wśród ponad 150 czołowych badaczy biorących udział w tej przełomowej pracy jest profesor fizyki z Cal Poly, Thomas Gutierrez. Jako główny badacz objęty trzyletnim grantem o wartości 340 000 dolarów ufundowanym przez National Science Foundation, Gutierrez odgrywa kluczową rolę w projekcie.
W poszukiwaniu zakazanego rozpadu jądrowego
Badania odbywają się w Narodowym Laboratorium Gran Sasso, położonym niedaleko Assergi we Włoszech, około 130 km na północny wschód od Rzymu. Ta najnowocześniejsza placówka przyciąga naukowców z prestiżowych instytucji, m.in. UC Berkeley, Uniwersytet KalifornijskiYale, MITJohns Hopkins, Cal Poly i czołowe uniwersytety w Europie i Azji.
Fundusze NSF pokrywają koszty związane z podróżami do Cal Poly i eksperymentami z udziałem studentów. Wraz z innymi naukowcami Gutierrez i jego zespół studentów z Cal Poly badają niepotwierdzone teorie związane z rozpadem jądrowym, znanym również jako rozpad radioaktywny, czyli procesem, w wyniku którego niestabilne jądro atomowe traci energię w wyniku promieniowania. Ich praca ma na celu lepsze wyjaśnienie, dlaczego Wszechświat jest pełen materii, a także rozwiązanie innych tajemnic, które od pokoleń nurtowały naukowców.
Odkrywanie tajemnic neutrin
„Jeśli uda ci się znaleźć coś, co łamie prawa fizyki, jest to odkrycie” – powiedział Gutierrez. „Obecnie poszukujemy rodzaju rozpadu jądrowego, który jest obecnie zabroniony przez prawa fizyki. To nie powinno się zdarzyć. Jeśli więc tak się stanie, a tego właśnie szukamy, wiele powie to o sposobie działania świata”.
Badania stanowią kontynuację współpracy naukowej rozpoczętej w ramach międzynarodowego programu CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), który obecnie nosi nazwę CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification). Słowo „cuore” po włosku oznacza serce; stąd akronim wykorzystujący słowo „amorek” dla kolejnego, najnowszego etapu programu.
Dziedzina badań Gutierreza skupia się na neutrinach, czyli maleńkich cząstkach o bardzo niewielkiej masie. Obfite we wszechświecie w Wielki Wybuch i podróżując z prędkością bliską prędkości światła, neutrina mogą również pochodzić z gwałtownych wybuchów, takich jak eksplodujące gwiazdy. Neutrina często powstają w wyniku rozpadu radioaktywnego. Ponieważ nie oddziałują ze sobą zbyt mocno i są neutralne, mogą pomóc w wyjaśnieniu zagadek wszechświata związanych z materią i antymaterią.
Trudna symetria materii i antymaterii
We współczesnej fizyce wszystkie cząstki mają antycząstki, swój własny odpowiednik w antymaterii: elektrony mają antyelektrony (pozytony), kwarki mają antykwarki, a neutrony i protony (które tworzą jądra atomów) mają antyneutrony i antyprotony.
„Zgodnie z prawami fizyki ilość materii i antymaterii powinna być równa, po czym wszystkie powinny ulec anihilacji, zniknąć, a my nie powinniśmy istnieć” – powiedział Gutierrez. „A jednak ten mały kawałek materii, który pozostał, to my. Dlaczego w ogóle istniejemy? Po co w ogóle jest ten kawałek? To rodzaj zagadki.”
Zgodnie z długoletnią teorią naukową neutrina – posiadające neutralny ładunek – mogą być swoimi własnymi antycząstkami. Ale ta koncepcja nigdy nie została udowodniona. Prace CUPID mają nadzieję odkryć możliwość bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta – radioaktywnego procesu, w którym jądro atomowe uwalnia dwa elektrony, ale nie neutrina. Obserwacja tego rozpadu potwierdziłaby hipotezę, że neutrina są swoimi własnymi antycząstkami.
„Jeśli nastąpi podwójny rozpad beta bez neutrin, dostarcza nam to wszystkich informacji o podstawach istnienia materii, nie tylko tej materii, ale całej materii” – powiedział Gutierrez. „To jest bardzo potężne.”
Innowacje w technologii wykrywania cząstek
Gutierrez i międzynarodowy zespół naukowy współpracują nad badaniem kryształów dwutlenku telluru, mieszaniny pierwiastka telluru i tlenu.
„Istnieje hipoteza, że izotop telluru może ulegać podwójnemu rozpadowi beta bez neutrin” – powiedział Gutierrez.
Gutierrez powiedział, że około jedna trzecia jąder telluru w tym kawałku kryształu to właściwy izotop.
„Pomysł polega na wykorzystaniu detektora tego kryształu do pomiaru własnego rozpadu” – powiedział Gutierrez. „Zdeponuje bardzo pewną ilość energii, podnosząc temperaturę, co możemy zaobserwować. Dzięki tym testom, w najlepszym przypadku, chcielibyśmy móc powiedzieć, czy neutrino jest swoją własną antycząstką.”
Znaczenie starożytnych materiałów we współczesnych badaniach
Włoskie laboratorium chroni promienie kosmiczne i inną naturalną radioaktywność przez około kilometr skały w każdym kierunku oraz ochronną tarczę o grubości sześciu centymetrów wykonaną z gotowanego ołowiu wydobytego ze starożytnego rzymskiego wraku statku handlowego. Starożytny ołów używany jako osłona ochronna podczas badań laboratoryjnych nie zawiera własnego materiału radioaktywnego ze względu na naturalny proces, który zachodzi przez stulecia, co potwierdza skuteczność wielowiekowego ołowiu w nauce.
Włoski obiekt jest największym podziemnym ośrodkiem badawczym na świecie. Zimne warunki badawcze zostały zaprojektowane dla temperatur około 10 miliKelwinów, czyli -441,74 stopnia Fahrenheitanajzimniejsza objętość tej wielkości gdziekolwiek we wszechświecie. Tak niskie temperatury są pomocne w nauce o cząstkach, ponieważ gdy cząstki są schładzane, poruszają się znacznie wolniej, co pozwala naukowcom na dokładniejsze badanie ich zachowań.
Gutierrez powiedział, że ludzie „walą głowami w ścianę, próbując zrozumieć” teorie dotyczące przeciwstawienia się antymaterii i materii oraz potencjalnego zaangażowania neutrin.
„Istnieje wiele różnych ścieżek, które ludzie badają, ale około 30 lat temu pomysł, że jeśli nastąpi ten rozpad, mówi nam to o właściwościach materii i sugeruje, że wszechświat faktycznie faworyzuje materię nad antymaterią choć odrobinę” – powiedział Gutierrez.
Studenci Cal Poly już wnieśli swój wkład i będą to robić nadal, w tym Reagen Garcia, absolwent fizyki z Morro Bay w Kalifornii. Część jej pracy obejmuje prowadzenie zdalnych zmian pracy detektora w eksperymencie odbywającym się we Włoszech.
„CUORE wymaga ciągłego monitorowania, dlatego zmiany w działaniu zdalnych detektorów są ważną częścią eksperymentu” – powiedział Garcia. „Grant pomoże uczniom wziąć udział w tych zmianach. Pomoże to również w wysyłaniu studentów do Włoch lub na inne uniwersytety biorące udział w współpracy”.
Garcia prowadził także prace letnie przy ul Uniwersytet Yale’aLaboratorium Wrighta, instytucja współpracująca przy eksperymencie CUPID, w którym Garcia przeprowadził testy systemu detektora cząstek.
„Bycie częścią tak szczegółowych, specyficznych aspektów projektu eksperymentalnego było ekscytujące” – powiedział Garcia. „Ostatnie lato w Yale było najbardziej ekscytującym i satysfakcjonującym doświadczeniem badawczym, w jakim miałem okazję brać udział”.
