I ett laboratorium under ett berg använder fysiker kristaller som är mycket kallare än frusen luft för att studera spöklika partiklar, i hopp om att lära sig hemligheter från universums början. Forskare vid Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) meddelade denna vecka att de hade satt några av de strängaste gränserna hittills för den märkliga möjligheten att neutrinon är sin egen antipartikel. Neutrinos är djupt ovanliga partiklar, så eteriska och så allestädes närvarande att de regelbundet passerar genom våra kroppar utan att vi märker det. CUORE har tillbringat de senaste tre åren tålmodigt och väntat på att se bevis på en distinkt kärnkraftsförfallsprocess, endast möjlig om neutriner och antineutriner är samma partikel. CUOREs nya data visar att detta förfall inte sker på biljoner biljoner år, om det alls händer. CUOREs gränser för beteendet hos dessa små fantomer är en avgörande del av sökandet efter nästa genombrott inom partikel- och kärnfysik – och sökandet efter vårt eget ursprung.

"I slutändan försöker vi förstå att skapa materia", säger Carlo Bucci, forskare vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) i Italien och talesman för CUORE. "Vi letar efter en process som bryter mot en grundläggande symmetri av naturen", tillade Roger Huang, en postdoktor vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och en av huvudförfattarna till den nya studien.

CUORE – italienska för "hjärta" – är bland de känsligaste neutrinoexperimenten i världen. De nya resultaten från CUORE är baserade på en datamängd tio gånger större än någon annan högupplöst sökning, som samlats in under de senaste tre åren. CUORE drivs av ett internationellt forskningssamarbete, som leds av Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) i Italien och Berkeley Lab i USA. Själva CUORE-detektorn är placerad under nästan en mil av fast sten vid LNGS, en anläggning i INFN. U.S. Department of Energy-stödda kärnfysiker spelar en ledande vetenskaplig och teknisk roll i detta experiment. CUOREs nya resultat publicerades idag i Nature .

Särskilda partiklar

Neutriner finns överallt – det finns biljoner neutriner som passerar ensamma genom din tumnagel när du läser den här meningen. De är osynliga för de två starkaste krafterna i universum, elektromagnetism och den starka kärnkraften, som gör att de kan passera rakt igenom dig, jorden och nästan allt annat utan att interagera. Trots deras stora antal gör deras gåtfulla natur dem mycket svåra att studera, och har lämnat fysiker att klia sig i huvudet ända sedan de först postulerades för över 90 år sedan. Det var inte ens känt om neutriner hade någon massa alls förrän i slutet av 1990-talet – det visar sig att de har det, om än inte särskilt mycket.

En av de många återstående öppna frågorna om neutriner är om de är sina egna antipartiklar. Alla partiklar har antipartiklar, sin egen antimateriamotsvarighet:elektroner har antielektroner (positroner), kvarkar har antikvarkar och neutroner och protoner (som utgör kärnorna i atomer) har antineutroner och antiprotoner. Men till skillnad från alla dessa partiklar är det teoretiskt möjligt för neutriner att vara sina egna antipartiklar. Sådana partiklar som är deras egna antipartiklar postulerades först av den italienska fysikern Ettore Majorana 1937 och är kända som Majorana-fermioner.

Om neutriner är Majorana-fermioner, kan det förklara en djup fråga som ligger till grund för vår egen existens:varför det finns så mycket mer materia än antimateria i universum. Neutriner och elektroner är båda leptoner, en sorts fundamental partikel. En av naturens grundläggande lagar verkar vara att antalet leptoner alltid bevaras – om en process skapar en lepton måste den också skapa en antilepton för att balansera den. På samma sätt är partiklar som protoner och neutroner kända som baryoner, och baryonnummer verkar också vara bevarat. Men om baryon- och leptontal alltid bevarades, skulle det finnas exakt lika mycket materia i universum som antimateria – och i det tidiga universum skulle materien och antimateria ha mötts och förintats, och vi skulle inte existera. Något måste bryta mot det exakta bevarandet av baryoner och leptoner. Gå in i neutrinon:om neutriner är deras egna antipartiklar, så behöver inte leptontalet bevaras, och vår existens blir mycket mindre mystisk.

"Materia-antimateria-asymmetrin i universum är fortfarande oförklarad", sa Huang. "Om neutriner är deras egna antipartiklar, kan det hjälpa till att förklara det."

Detta är inte heller den enda frågan som kan besvaras av en Majorana neutrino. Neutrinos extrema lätthet, ungefär en miljon gånger lättare än elektronen, har länge varit förbryllande för partikelfysiker. Men om neutriner är deras egna antipartiklar, så skulle en befintlig lösning känd som "gungbrädamekanismen" kunna förklara neutrinernas lätthet på ett elegant och naturligt sätt.

En sällsynt enhet för sällsynta sönderfall

Men att avgöra om neutriner är deras egna antipartiklar är svårt, just för att de inte interagerar särskilt ofta alls. Fysikernas bästa verktyg för att leta efter Majorana-neutriner är en hypotetisk typ av radioaktivt sönderfall som kallas neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall. Beta-sönderfall är en ganska vanlig form av sönderfall i vissa atomer, förvandlar en neutron i atomkärnan till en proton, förändrar atomens kemiska element och sänder ut en elektron och en anti-neutrino i processen. Dubbel beta-sönderfall är mer sällsynt:istället för att en neutron förvandlas till en proton, gör två av dem det, och avger två elektroner och två anti-neutriner i processen. Men om neutrinon är en Majorana-fermion, så skulle det teoretiskt sett tillåta en enda "virtuell" neutrino, som fungerar som sin egen antipartikel, att ta platsen för båda antineutrinerna i dubbel beta-sönderfall. Endast de två elektronerna skulle ta sig ur atomkärnan. Neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall har teoretiserats i decennier, men det har aldrig setts.

CUORE-experimentet har gjort stora ansträngningar för att fånga telluratomer under detta sönderfall. I experimentet används nästan tusen mycket rena kristaller av telluroxid, som tillsammans väger över 700 kg. Så mycket tellur är nödvändigt eftersom det i genomsnitt tar miljarder gånger längre än universums nuvarande ålder för en enda instabil telluratom att genomgå vanligt dubbel beta-sönderfall. Men det finns biljoner biljoner atomer av tellur i var och en av kristallerna som CUORE använder, vilket betyder att vanligt dubbel beta-sönderfall sker ganska regelbundet i detektorn, runt några gånger om dagen i varje kristall. Neutrinolös dubbel beta-sönderfall, om det överhuvudtaget inträffar, är ännu mer sällsynt, och därför måste CUORE-teamet arbeta hårt för att ta bort så många källor till bakgrundsstrålning som möjligt. För att skydda detektorn från kosmisk strålning är hela systemet placerat under berget Gran Sasso, det största berget på den italienska halvön. Ytterligare avskärmning tillhandahålls av flera ton bly. Men nyligen utvunnet bly är något radioaktivt på grund av kontaminering av uran och andra element, med den radioaktiviteten som minskar med tiden - så blyet som används för att omge den känsligaste delen av CUORE är till största delen bly som återvunnits från ett sjunket gammalt romerskt skepp, nästan 2000 år gammalt .

Det kanske mest imponerande maskineriet som används på CUORE är kryostaten, som håller detektorn kall. För att upptäcka neutrinolöst dubbel beta-sönderfall övervakas temperaturen för varje kristall i CUORE-detektorn noggrant med sensorer som kan detektera en temperaturförändring så liten som en tiotusendels grad av Celsius. Neutrinolös dubbel beta-sönderfall har en specifik energisignatur och skulle höja temperaturen på en enkristall med en väldefinierad och igenkännbar mängd. Men för att bibehålla den känsligheten måste detektorn hållas väldigt kall – närmare bestämt hålls den runt 10 mK, en hundradels grad över absolut noll. "Det här är den kallaste kubikmetern i det kända universum", säger Laura Marini, forskare vid Gran Sasso Science Institute och CUOREs Run Coordinator. Den resulterande känsligheten hos detektorn är verkligen fenomenal. "När det var stora jordbävningar i Chile och Nya Zeeland såg vi faktiskt glimtar av det i vår detektor", säger Marini. "Vi kan också se vågor slå in på stranden vid Adriatiska havet, 60 kilometer bort. Den signalen blir större på vintern, när det är stormar."

En neutrino genom hjärtat

Trots den fenomenala känsligheten har CUORE ännu inte sett bevis på neutrinolös dubbel beta-sönderfall. Istället har CUORE fastställt att detta sönderfall i genomsnitt sker i en enda telluratom inte oftare än en gång var 22 biljon biljon år. "Neutrinofritt dubbel beta-sönderfall, om det observeras, kommer att vara den sällsynta processen som någonsin observerats i naturen, med en halveringstid som är mer än en miljon miljarder gånger längre än universums ålder", säger Danielle Speller, biträdande professor vid Johns Hopkins University och medlem av CUORE Physics Board. "CUORE är kanske inte tillräckligt känslig för att upptäcka detta förfall även om det inträffar, men det är viktigt att kontrollera. Ibland ger fysiken överraskande resultat, och det är då vi lär oss mest." Även om CUORE inte hittar bevis för neutrinofritt dubbelbeta-förfall, banar det vägen för nästa generations experiment. CUOREs efterträdare, CUORE-uppgraderingen med partikelidentifiering (CUPID) är redan på gång. CUPID kommer att vara över 10 gånger känsligare än CUORE, vilket potentiellt gör att den kan skymta bevis på en Majorana neutrino.

Men oavsett något annat är CUORE en vetenskaplig och teknisk triumf – inte bara för dess nya gränser för hastigheten för neutrinolös dubbel beta-sönderfall, utan också för dess demonstration av sin kryostatteknologi. "Det är det största kylskåpet i sitt slag i världen", säger Paolo Gorla, en stabsforskare vid LNGS och CUOREs tekniska koordinator. "Och den har hållits på 10 mK kontinuerligt i ungefär tre år nu." Sådan teknik har tillämpningar långt bortom fundamental partikelfysik. Specifikt kan det komma till användning inom kvantberäkning, där att hålla stora mängder maskiner kallt nog och skyddat från miljöstrålning för att manipulera på kvantnivå är en av de stora tekniska utmaningarna på området.

Samtidigt är CUORE inte klar än. "Vi kommer att vara verksamma till 2024", sa Bucci. "Jag är spänd på att se vad vi hittar." + Utforska vidare

CUORE-experimentet begränsar neutrinoegenskaper