Da anni un team internazionale di ricercatori si è nascosto in profondità sotto una montagna nel centro Italia, raccogliendo instancabilmente le misure più sensibili dal metro cubo più freddo dell'universo conosciuto. Gli scienziati stanno cercando prove che le particelle spettrali chiamate neutrini siano indistinguibili dalle loro controparti di antimateria. Se provato, la scoperta potrebbe risolvere un enigma cosmico che ha afflitto i fisici per decenni: perché la materia esiste affatto?
Da tempo sanno che la materia ha un gemello malvagio soprannominato antimateria. Per ogni particella fondamentale nell'universo, esiste un'antiparticella che è quasi identica al suo fratello, con la stessa massa ma carica opposta. Quando una particella e un'antiparticella si incontrano faccia a faccia, si annichilano a vicenda, creando energia pura.
"Abbiamo questa apparente completa simmetria della contabilità tra materia e antimateria", ha detto a Thomas Science Thomas O'Donnell, professore di fisica presso la Virginia Tech University. "Ogni volta che crei un pezzo di materia, crei anche un pezzo di antimateria in equilibrio, e ogni volta che distruggi un pezzo di materia, devi distruggere un pezzo di antimateria. Se questo è vero, non puoi mai avere più di un tipo rispetto all'altro ".
Questa simmetria è in contrasto con la nostra attuale comprensione di come è iniziato l'universo. Secondo la teoria del Big Bang, quando l'universo si è espanso da una singolarità infinitesimale circa 13,8 miliardi di anni fa, si ritiene che siano nate uguali quantità di materia e antimateria. Tuttavia, quando gli astronomi guardano nel cosmo oggi, l'universo è composto quasi interamente di materia con nessuno dei suoi gemelli malvagi in vista. Ancora più preoccupante, se la teoria del Big Bang è corretta, allora noi - sì, umani - non dovremmo essere qui oggi.
"Se la materia e l'antimateria obbedissero completamente a questa simmetria, allora mentre il cosmo si evolveva, tutta la materia e l'antimateria si sarebbero annientati in fotoni e non sarebbe rimasta materia per stelle, pianeti o persino cellule umane. Non esisteremmo!" Disse O'Donnell. "La grande domanda allora è: 'Questo schema contabile si è rotto qualche volta durante l'evoluzione dell'universo?'"
Questa domanda è ciò a cui O'Donnell e gli altri collaboratori sperano di rispondere. Negli ultimi due anni, il loro team ha raccolto e analizzato i dati dell'esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) presso il Gran Sasso National Laboratory in Italia, alla ricerca della pistola fumante che avrebbe posto fine a questo mistero cosmico.
I piccoli neutrali
CUORE, che significa "cuore" in italiano, è alla ricerca di prove che le particelle subatomiche sfuggenti chiamate neutrini siano la loro stessa antiparticella, quella che i fisici chiamano una particella Majorana. I neutrini, che passano come spettri attraverso la maggior parte della materia, sono estremamente difficili da rilevare. In effetti, secondo la NASA, ogni secondo miliardi di miliardi di neutrini originati dalla fornace nucleare infuocata del nostro sole passano attraverso i nostri corpi.
L'esperimento CUORE cerca la firma dei neutrini di Majorana che si annichilano a vicenda in un processo chiamato decadimento della doppia beta senza neutrini. Nel normale decadimento della doppia beta, due neutroni all'interno del nucleo di un atomo si trasformano simultaneamente in due protoni, emettendo una coppia di elettroni e antineutrini. Questo evento nucleare, sebbene estremamente raro e si verifica solo una volta ogni 100 quintilioni di anni (10 ^ 20) per un singolo atomo, è stato osservato nella vita reale.
Tuttavia, se i ricercatori hanno ragione e i neutrini sono vere particelle di Majorana (sono le loro stesse antiparticelle), i due antineutrini creati durante il decadimento potrebbero annichilirsi a vicenda e creare un decadimento a doppia beta neutrina. Il risultato? Solo elettroni, che sono "materia ordinaria". Se questo processo si rivela vero, può essere responsabile della semina dell'universo primordiale con la materia ordinaria. Osservare questo processo, tuttavia, è un'altra storia. Gli scienziati stimano il decadimento della doppia beta priva di neutrini (se esiste del tutto), che può aver luogo una volta ogni 10 settilioni di anni (10 ^ 25).
"La modalità neutrinoless è quella che vogliamo davvero vedere, infrangerebbe le regole, creando materia senza antimateria", ha dichiarato O'Donnell, che è membro della collaborazione CUORE. "Sarebbe il primo indizio per una vera soluzione dell'asimmetria materia-antimateria."
Il rivelatore CUORE cerca la firma dell'energia, sotto forma di calore, dagli elettroni creati durante il decadimento radioattivo degli atomi di tellurio. Il decadimento a doppia beta neutrina lascerebbe un picco unico e distinguibile nello spettro di energia degli elettroni.
"CUORE è, in sostanza, uno dei termometri più sensibili al mondo", ha dichiarato Carlo Bucci, coordinatore tecnico per la collaborazione CUORE.
Montato nell'arco di un decennio, lo strumento CUORE è il metro cubo più freddo dell'universo conosciuto. È costituito da 988 cristalli a forma di cubo di biossido di tellurio, raffreddati a 10 milli-kelvin, o meno 460 gradi Fahrenheit (meno 273 gradi Celsius), solo un pelo sopra la temperatura più fredda consentirà la fisica. Per proteggere l'esperimento dalle interferenze di particelle esterne come i raggi cosmici, il rivelatore è racchiuso in uno spesso strato di piombo altamente puro recuperato da un naufragio romano di 2000 anni fa.
Nonostante i risultati tecnologici del team, trovare l'evento neutrinoless non è stato un compito facile. I ricercatori hanno più che quadruplicato i dati raccolti dai loro risultati iniziali nel 2017, rappresentando il più grande set di dati mai raccolto da un rilevatore di particelle nel suo genere. I loro ultimi risultati, pubblicati sul database di prestampa arXiv, mostrano che non hanno trovato prove di decadimento della doppia beta senza neutrini.
La collaborazione è ancora determinata a dare la caccia a questa sfuggente particella a doppio agente. I loro risultati hanno messo un limite più stretto alla massa attesa di un neutrino Majorana, che credono sia almeno 5 milioni di volte più leggero di un elettrone. Il team ha in programma di aggiornare CUORE dopo i suoi cinque anni iniziali, introducendo un nuovo tipo di cristallo che sperano possa migliorare notevolmente la sua sensibilità.
"Se la storia è un buon predittore del futuro, allora possiamo essere abbastanza certi che spingendo l'inviluppo delle tecnologie dei rivelatori ci permetterà di esaminare i neutrini con profondità sempre crescente", ha detto O'Donnell. "Speriamo di scoprire un decadimento della doppia beta neutrolico, o forse qualcosa di più esotico e inaspettato."
