Al di sotto di una montagna in Italia, nel metro cubo più freddo dell'universo conosciuto, gli scienziati stanno cercando prove che particelle spettrali chiamate neutrini fungano da partner antimateria. Ciò che trovano questi ricercatori potrebbe spiegare lo squilibrio della materia e dell'antimateria nell'universo.
Finora sono usciti a mani vuote.
Gli ultimi risultati dei primi due mesi dell'esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) nel Gran Sasso, in Italia, non mostrano alcun indizio di un processo che provi che i neutrini, che sono generati dalle radiazioni cosmiche, sono i loro partner antimateria. Ciò significa che se si verifica il processo, accade così raramente che si svolge all'incirca una volta ogni 10 settilioni (10 ^ 25) anni.
L'obiettivo finale di questo esperimento è risolvere uno degli enigmi più duraturi dell'universo e uno che suggerisce che non dovremmo nemmeno essere qui. Quell'enigma esiste perché il teorico Big Bang - in cui si dice che una minuscola singolarità abbia gonfiato oltre 13,8 miliardi di anni per formare l'universo - avrebbe dovuto tradursi in un universo con il 50% di materia e il 50% di antimateria.
Quando la materia e l'antimateria si incontrano, si annichilano e si rendono reciprocamente inesistenti.
Ma non è quello che vediamo oggi. Invece, il nostro universo è principalmente materia e gli scienziati stanno lottando per scoprire cosa è successo a tutta l'antimateria.
Ecco dove entrano i neutrini.
Cosa sono i neutrini?
I neutrini sono minuscole particelle elementari praticamente prive di massa. Ognuno è più piccolo di un atomo, ma sono alcune delle particelle più abbondanti in natura. Come i fantasmi, possono attraversare persone e muri senza che nessuno (nemmeno i neutrini) se ne accorga.
La maggior parte delle particelle elementari ha una controparte dispari di antimateria, chiamata antiparticella, che ha la stessa massa del suo partner di materia normale ma la carica opposta. Ma i neutrini sono un po 'strani da soli, in quanto non hanno quasi massa e sono senza carica. Quindi, i fisici hanno ipotizzato che potrebbero essere le loro stesse antiparticelle.
Quando una particella funge da propria antiparticella, viene chiamata particella Majorana.
"Le teorie che attualmente abbiamo semplicemente non ci dicono se i neutrini sono o meno di quel tipo Majorana. Ed è una cosa molto interessante da cercare, perché sappiamo già che ci manca qualcosa sui neutrini", il fisico teorico Sabine Hossenfelder, un collega dell'Istituto di studi avanzati di Francoforte in Germania, ha detto a Live Science. Hossenfelder, che non fa parte di CUORE, si riferisce alle bizzarre caratteristiche inspiegabili dei neutrini.
Se i neutrini sono Majorana, allora sarebbero in grado di passare dalla materia all'antimateria. Se la maggior parte dei neutrini si trasformasse in materia ordinaria all'inizio dell'universo, i ricercatori hanno detto, questo potrebbe spiegare perché la materia supera oggi l'antimateria e perché esistiamo.
L'esperimento CUORE
Studiare neutrini in un tipico laboratorio è difficile, perché raramente interagiscono con altra materia e sono estremamente difficili da rilevare: miliardi passano attraverso di te inosservati ogni minuto. È anche difficile distinguerli da altre fonti di radiazioni. Ecco perché i fisici dovevano andare sottoterra - quasi un miglio (1,6 chilometri) sotto la superficie terrestre - dove una gigantesca sfera d'acciaio racchiude un rivelatore di neutrini gestito dal Laboratorio Nazionale Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Questo laboratorio è la sede dell'esperimento CUORE, che è alla ricerca di prove di un processo chiamato decadimento a doppia beta senza neutrini - un altro modo di dire che i neutrini agiscono come le loro stesse antiparticelle. In un normale processo di decadimento a doppia beta, un nucleo decade ed emette due elettroni e due antineutrini. Tuttavia, il decadimento della doppia beta neutrinoless non emetterebbe alcun antineutrinos, perché questi antineutrinos potrebbero servire come proprie antiparticelle e si annullerebbero a vicenda.
Nel loro tentativo di "vedere" questo processo, i fisici hanno osservato l'energia emessa (sotto forma di calore) durante il decadimento radioattivo di un isotopo di tellurio. Se si verificasse un decadimento della doppia beta neutrolisi, ci sarebbe un picco ad un certo livello di energia.
Per rilevare e misurare con precisione questa energia termica, i ricercatori hanno realizzato il metro cubo più freddo nell'universo conosciuto. Lo confrontano con un enorme termometro con quasi 1.000 cristalli di diossido di tellurio (TeO2) che operano a 10 milli-kelvin (mK), che è meno 459,652 gradi Fahrenheit (meno 273,14 gradi Celsius).
Mentre gli atomi di tellurio radioattivo decadono, questi rivelatori cercano quel picco di energia.
"L'osservazione che i neutrini sono le loro stesse antiparticelle sarebbe una scoperta significativa e ci richiederebbe di riscrivere il modello standard comunemente accettato della fisica delle particelle. Ci direbbe che esiste un meccanismo nuovo e diverso per far sì che la materia abbia massa", studia il ricercatore Karsten Heeger, professore alla Yale University, ha detto a Live Science.
E anche se CUORE non è in grado di dimostrare definitivamente che il neutrino è la sua stessa antiparticella, la tecnologia utilizzata nello studio può avere altri usi, ha affermato Lindley Winslow, assistente professore di fisica presso il Massachusetts Institute of Technology e parte del team CUORE.
"La tecnologia che raffredda CUORE fino a 10 mK è la stessa utilizzata per raffreddare i circuiti superconduttori per il calcolo quantistico. La prossima generazione di computer quantistici potrebbe vivere in un criostato in stile CUORE. Potresti chiamarci primi utilizzatori", ha detto Winslow a Live Scienza.
