Savojeregionen i Frankrike är mest känd för sina grankantade skidbackar och pittoreska alpbyar. Mindre känt är det faktum att djupt under några av dessa sluttningar, forskare undersöker ett av fysikens största mysterier:materiens ursprung.

Fréjus vägtunnel i regionen transporterar trafik mellan den franska staden Modane och den italienska staden Bardonecchia. Ta en biltur genom tunneln, och du kanske bara lägger märke till – i mitten – en anspråkslös grön dörr i tunnelväggen. Denna robusta metalldörr separerar kvävet, dieselinfunderad luft i vägtunneln från den rena, kontrollerad atmosfär av Laboratoire Souterraine de Modane, Europas djupaste underjordiska laboratorium som är hem för ett partikelfysikexperiment som heter SuperNEMO.

SuperNEMO-detektorn, cirka sex meter lång, fyra meter hög och tre meter bred, sitter i ett hårt kontrollerat rent rum för att skydda det från kontaminering av små mängder naturlig radioaktivitet som finns i smuts och damm. Berget i sig ger skydd mot de kosmiska strålarna som kontinuerligt bombarderar vår planets yta. Sådant skydd behövs, eftersom SuperNEMOs uppgift är att vakta över sju kilo selen och söka efter en av de sällsynta formerna av radioaktivitet som finns:dubbelbeta-sönderfall.

Alla radioaktiva grundämnen är instabila och sönderfaller (delas upp) till ett stabilt tillstånd på grund av förändringar i atomkärnan (som består av protoner och neutroner). Dubbelbeta-sönderfall är en process genom vilken två neutroner i en selenkärna samtidigt sönderfaller till protoner, samtidigt som de sänder ut två elektroner och två partiklar som kallas antineutrinos.

Antineutrinos är ett exempel på "antimateria". Alla materiepartiklar har antipartikelversioner av sig själva - nästan identiska men med motsatt laddning. När en partikel och en antipartikel möts, de förintar i en blixt av energi.

Gåtfulla partiklar

Antineutrinos är förbryllande. Ta hur de snurrar, till exempel. Många partiklar snurrar när de färdas, men neutriner verkar bara snurra åt ett håll. Alla neutriner snurrar moturs när de färdas – och alla antineutriner snurrar medurs. Vi har ingen aning om varför det är så.

Sedan finns det deras massa:neutriner är många, många gånger lättare än någon annan partikel med massa – så mycket lättare att vi ännu inte direkt har kunnat mäta deras lilla massa. Neutrinon är en avvikare bland partiklar – och när forskare ser extremvärden, vi kan inte låta bli att misstänka att det finns någon djupare mening bakom inkonsekvensen som kan avslöja en djup sanning om naturlagarna. Fröet till en teori för att förklara neutrinons många excentriciteter ligger i en relativt vardaglig observation:till skillnad från andra partiklar, neutrinon har ingen elektrisk laddning.

Men utan elektrisk laddning, hur skiljer sig antineutrino från neutrinon? Det är definitivt någon skillnad. De typer av neutriner och antineutriner SuperNEMO tittar på är av den så kallade elektrontypen. När neutrinerna interagerar med materia producerar de negativt laddade elektroner, men när antineutrinerna interagerar med materia producerar de positivt laddade positroner, elektronens antipartikel. Men innan neutrinon eller antineutrino interagerar, hur vet den vilken det är?

Denna djupgående fråga fick den italienska fysikern Ettore Majorana att fundera på om neutrinon och antineutrino faktiskt kunde vara exakt samma partikel, bara snurrar åt motsatta håll.

Om de antineutriner som skapats i dubbelbeta-sönderfallet som SuperNEMO letar efter har förmågan att bete sig som neutriner, då kan bara någon av dem göra det ibland. Det skulle betyda att du hade en antineutrino och en neutrino bredvid varandra – vilket skulle innebära att de kunde förinta varandra. Skulle det hända, de två elektronerna som produceras i dubbelbeta-sönderfallet skulle få en extra energikick av förintelsen – och det är vad SuperNEMO letar efter:en liten energikick som skulle kräva att vi omprövar hur materia och antimateria hänger ihop.

Tålamod är nyckeln till denna sökning. Halveringstiden för dubbel-beta-sönderfall i selen – det är den tid du måste vänta innan en atom har 50 % chans att ha sönderfallit – är 10 ²⁰ år. Det är en 1 med 20 nollor efter den:ta universums livstid och lägg till ytterligare tio nollor. Och även när ett dubbelbeta-förfall inträffar, chansen att de två antineutrinerna förintas är liten – om det ens händer. Vi kompenserar för det genom att ha många selenatomer i vår detektor, men vi ser ändå bara efter ett eller två sådana förfall varje år.

Materiens ursprung

Om vi ​​observerar ett sådant radioaktivt sönderfall skulle vi behöva skriva om den framgångsrika standardmodellen för partikelfysik. Detta skulle vara en enorm upptäckt i sig. Standardmodellen innehåller strikta regler, kallas bevarandelagar, om vad som kan och inte kan hända i partikelsönderfall och interaktioner. Om våra två antineutrinos förintas (eftersom en av dem betedde sig som en neutrino vid den tiden), då skulle dubbelbeta-sönderfallet producera två materieliknande elektroner och ingen antimateria för att balansera ut dem. Det är inte tillåtet i standardmodellen, vilket kräver att materia och antimateria alltid produceras i lika stora mängder.

Detta för oss till en av fysikens djupaste frågor:varför finns det mer materia än antimateria i universum? Du kanske tror att vi redan vet svaret på det:Big Bang producerade all materia. Väl, Ja det gjorde den, men det borde också ha producerat lika mycket antimateria. Så varför utplånade inte all materia och antimateria varandra och lämnade inget annat än ett hav av ljus?

Om neutrinon och antineutrino verkligen är samma partikel, den resulterande reviderade standardmodellen skulle tillåta dig att lägga till fler av dessa neutrinoliknande partiklar i din modell. Vissa av dessa neutrinoliknande partiklar kan vara tunga snarare än lätta; och jag menar väldigt tunga – så tunga att Large Hadron Collider inte har kunnat producera dem, och faktiskt så tunga att de bara var vanliga i det varma, täta förhållanden i det mycket tidiga universum.

Eftersom denna reviderade standardmodell har en mekanism för att bryta symmetrin mellan materia och antimateria, dessa supertunga neutriner har också förmågan att "välja" att förfalla till materia framför antimateria, förse det tidiga universum med den extra materia vi nu ser. Om det inte gjorde det, all materia och antimateria skulle ha förintat varandra och det skulle inte finnas några stjärnor, planeterna, och oss.

Så om du någonsin befinner dig i regionen Savoy i Frankrike, njuter av afterski efter en dag i backen, Spara en tanke på SuperNEMO-detektorn – och partikelfysikerna som jag, djupt under dig, väntar tålmodigt på det där radioaktiva sönderfallet som bara kan förklara hur du fick vara där.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.