Denna vecka, ett internationellt team av fysiker, inklusive forskare vid MIT, rapporterar de första resultaten från ett underjordiskt experiment utformat för att svara på en av fysikens mest grundläggande frågor:Varför består vårt universum mestadels av materia?

Enligt teorin, Big Bang borde ha producerat lika mängder materia och antimateria – den senare bestående av "antipartiklar" som i huvudsak är spegelbilder av materia, endast bära laddningar motsatta protonernas, elektroner, neutroner, och andra partikelmotsvarigheter. Och ändå, vi lever i ett avgjort materiellt universum, består mest av galaxer, stjärnor, planeter, och allt vi ser omkring oss – och väldigt lite antimateria.

Fysiker hävdar att någon process måste ha lutat balansen till förmån för materia under de första ögonblicken efter Big Bang. En sådan teoretisk process involverar neutrinon – en partikel som, trots att de nästan inte har någon massa och interagerar väldigt lite med annan materia, tros genomsyra universum, med biljoner av spöklika partiklar som strömmar ofarligt genom våra kroppar varje sekund.

Det finns en möjlighet att neutrinon kan vara sin egen antipartikel, vilket betyder att det kan ha förmågan att transformera sig mellan en materia- och antimateriaversion av sig själv. Om så är fallet, fysiker tror att detta kan förklara universums obalans, som tyngre neutriner, producerades omedelbart efter Big Bang, skulle ha förfallit asymmetriskt, producerar mer materia, snarare än antimateria, versioner av sig själva.

Ett sätt att bekräfta att neutrinon är sin egen antipartikel, är att upptäcka en ytterst sällsynt process känd som ett "neutrinofritt dubbelbeta-sönderfall, " där en stabil isotop, såsom tellur eller xenon, avger vissa partiklar, inklusive elektroner och antineutriner, eftersom det naturligt förfaller. Om neutrinon verkligen är sin egen antipartikel, sedan enligt fysikens regler borde antineutrinos ta ut varandra, och denna sönderfallsprocess bör vara "neutrinofri". Varje mått på denna process bör endast registrera de elektroner som flyr från isotopen.

Det underjordiska experimentet känt som CUORE, för Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, är designad för att detektera ett neutrinofritt dubbelbeta-sönderfall från det naturliga sönderfallet av 988 kristaller av tellurdioxid. I en tidning som publicerades denna vecka i Fysiska granskningsbrev , forskare, inklusive fysiker vid MIT, rapport om de första två månaderna av data som samlats in av CUORE (italienska för "hjärta"). Och även om de ännu inte har upptäckt den kontrollanta processen, de har kunnat sätta de strängaste gränserna hittills för hur lång tid en sådan process bör ta, om det överhuvudtaget finns. Baserat på deras resultat, de uppskattar att en enda telluratom skulle genomgå ett neutrinofritt dubbelbeta-sönderfall, som mest, en gång var tionde septillion (1 följt av 25 nollor) år.

Med hänsyn till det enorma antalet atomer i experimentets 988 kristaller, forskarna förutspår att de inom de närmaste fem åren borde kunna upptäcka minst fem atomer som genomgår denna process, om det finns, ger definitivt bevis på att neutrinon är sin egen antipartikel.

"Det är en mycket sällsynt process - om den observeras, det skulle vara det långsammaste som någonsin har mätts, " säger CUORE-medlemmen Lindley Winslow, Jerrold R. Zacharias karriärutveckling biträdande professor i fysik vid MIT, som ledde analysen. "Den stora spänningen här är att vi kunde köra 998 kristaller tillsammans, och nu är vi på väg att försöka se något."

CUORE-samarbetet omfattar cirka 150 forskare, främst från Italien och USA, inklusive Winslow och ett litet team av postdoktorer och doktorander från MIT.

Den kallaste kuben i universum

CUORE-experimentet är inrymt under jorden, begravd djupt inne i ett berg i centrala Italien, för att skydda den från yttre stimuli som ständigt bombardement av strålning från källor i universum.

Hjärtat i experimentet är en detektor som består av 19 torn, var och en innehåller 52 kubformade kristaller av tellurdioxid, totalt 988 kristaller, med en massa på cirka 742 kg, eller 1, 600 pund. Forskare uppskattar att denna mängd kristaller förkroppsligar cirka 100 septiljoner atomer av den speciella tellurisotopen. Elektronik och temperatursensorer är fästa på varje kristall för att övervaka tecken på deras förfall.

Hela detektorn finns i ett ultrakallt kylskåp, ungefär lika stor som en varuautomat, som håller en konstant temperatur på 6 millikelvin, eller -459,6 grader Fahrenheit. Forskare i samarbetet har tidigare räknat ut att detta kylskåp är den kallaste kubikmeter som finns i universum.

Experimentet måste hållas extremt kallt för att upptäcka små förändringar i temperatur som genereras av sönderfallet av en enda telluratom. I en normal dubbelbeta-sönderfallsprocess, en telluratom avger två elektroner, samt två antineutrinos, som uppgår till en viss energi i form av värme. I händelse av ett neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall, de två antineutrinerna borde ta bort varandra, och endast den energi som frigörs av de två elektronerna skulle genereras. Fysiker har tidigare räknat ut att denna energi måste vara runt 2,5 megaelektronvolt (Mev).

Under de första två månaderna av CUOREs verksamhet, forskare har i huvudsak tagit temperaturen på de 988 tellurkristallerna, letar efter någon minimal energiökning runt det där 2,5 Mev-märket.

"CUORE är som en gigantisk termometer, " säger Winslow. "När du ser en värmeavlagring på en kristall, det slutar med att du ser en puls som du kan digitalisera. Sedan går du igenom och tittar på dessa pulser, och höjden och bredden på pulsen motsvarar hur mycket energi som fanns där. Sedan zoomar du in och räknar hur många händelser som var på 2,5 Mev, och vi såg i princip ingenting. Vilket förmodligen är bra eftersom vi inte förväntade oss att se något under de första två månaderna av data."

Hjärtat kommer att fortsätta

Resultaten tyder mer eller mindre på att inom det korta fönster som CUORE hittills har opererat, inte en av de 1, 000 septiljoner telluratomer i detektorn genomgick ett neutrinofritt dubbelbeta-sönderfall. Statistiskt sett, detta betyder att det skulle ta minst 10 septiljoner år, eller år, för en enda atom att genomgå denna process om en neutrino i själva verket är sin egen antipartikel.

"För tellurdioxid, det här är den bästa gränsen för den här processens livslängd som vi någonsin har fått, " säger Winslow.

CUORE kommer att fortsätta att övervaka kristallerna under de kommande fem åren, och forskare designar nu experimentets nästa generation, som de har kallat CUPID - en detektor som kommer att leta efter samma process inom ett ännu större antal atomer. Bortom CUPID, Winslow säger att det bara finns en till, större iteration som skulle vara möjlig, innan forskarna kan dra en definitiv slutsats.

"Om vi ​​inte ser det inom 10 till 15 år, sedan, om inte naturen väljer något riktigt konstigt, neutrinon är troligen inte sin egen antipartikel, " säger Winslow. "Partikelfysik säger att det inte finns mycket mer vickningsutrymme för neutrinon att fortfarande vara sin egen antipartikel, och för att du inte har sett den. Det finns inte så många ställen att gömma sig."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.