수년 동안, 국제 연구팀은 이탈리아 중부의 한 산 아래에 숨겨져 있으며 알려진 우주에서 가장 차가운 입방 미터에서 가장 민감한 측정 값을 지칠 수없이 수집하고 있습니다. 과학자들은 중성미자라고하는 유령 입자가 자신의 반물질과 구별 할 수 없다는 증거를 찾고 있습니다. 이 사실이 밝혀지면, 수십 년 동안 물리학 자들을 괴롭힌 우주적 수수께끼를 해결할 수있을 것입니다. 왜 물질이 존재 하는가?
그들은 물질에 반물질이라고 불리는 사악한 쌍둥이가 있다는 것을 오랫동안 알고있었습니다. 우주의 모든 기본 입자에는 같은 질량이지만 반대 전하를 갖는 형제와 거의 동일한 반입자가 있습니다. 입자와 반입자가 대면을 만나면 서로를 전멸시켜 순수한 에너지를 만듭니다.
버지니아 공과 대학 물리학과 교수 인 토마스 오도넬 (Thomas O'Donnell)은“우리는 물질과 반물질 사이의 회계에 대한 이러한 완전한 대칭을 가지고있다. "물을 만들 때마다 균형을 잡는 반물질을 만들고, 조각을 파괴 할 때마다 반물질을 파괴해야합니다. 이것이 사실이라면 한 가지 이상의 유형도 가질 수 없습니다 "다른 것보다."
이 대칭은 우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 우리의 현재 이해와 상충됩니다. 빅뱅 이론 (Big Bang Theory)에 따르면, 우주가 약 138 억 년 전에 무한한 특이성에서 팽창했을 때, 같은 양의 물질과 반물질이 존재했다고 믿어집니다. 그러나 천문학 자들이 오늘날 우주를 조사 할 때, 우주는 사악한 쌍둥이가 보이지 않는 거의 전적으로 물질로 구성되어 있습니다. 더 큰 문제는, 빅뱅 이론이 맞다면, 우리는 – 오늘날, 인간은 여기 있지 않아야합니다.
"물질과 반물질이이 대칭에 완전히 순종한다면, 우주가 진화함에 따라 모든 물질과 반물질은 광자로 소멸 될 것이며 별, 행성 또는 심지어 인간 세포에 대한 문제는 없을 것입니다." 오도넬이 말했다. "그 당시 가장 큰 의문은 '우주의 진화 과정에서이 회계 체계가 언젠가 중단 되었는가?'입니다."
그 질문은 오도넬과 동료 협력자들이 대답하고자하는 것입니다. 지난 2 년 동안이 팀은 이탈리아 그란 사소 국립 연구소 (Gran Sasso National Laboratory)의 CUORE (Creogenic Underground Observatory for Rare Events) 실험 데이터를 수집하고 분석하여이 우주 미스터리를 쉬게 할 흡연 총을 찾고있었습니다.
작은 중립적 인 것들
이탈리아어에서 "마음"을 의미하는 CUORE는 중성미자라고 불리는 난해한 아 원자 입자가 자체 반입 자라는 물리 증거가 물리학 자라고 불리는 증거를 찾고 있습니다. 관중처럼 대부분의 물질을 통과하는 뉴트리노 스는 감지하기가 매우 어렵습니다. 실제로 NASA에 따르면, 태양의 불 같은 핵로에서 나오는 수조 개의 중성미자가 매초마다 우리 몸을 통과합니다.
CUORE 실험은 중성미자가없는 이중 베타 붕괴라는 과정에서 서로를 소멸시키는 Majorana 중성미자의 시그니처를 찾습니다. 일반적인 이중 베타 붕괴에서, 원자핵 내부의 두 중성자는 동시에 두 개의 양성자로 변하여 한 쌍의 전자와 항 중성자를 방출합니다. 이 핵 사건은 매우 드물고 개별 원자에 대해 100 분의 1 년 (10 ^ 20)마다 한 번만 발생하지만 실제 생활에서 관찰되었습니다.
그러나 연구자들이 정확하고 중성미자가 진정한 마조 나 입자 (그들 자신의 반입자) 인 경우, 붕괴 동안 생성 된 두 개의 중성 구균은 서로를 전멸시키고 중성미자없는 이중 베타 붕괴를 일으킬 수 있습니다. 결과? "일반적인 물질"인 전자들. 이 과정이 사실로 판명되면 초기 우주에 평범한 문제를 심어야 할 책임이 있습니다. 그러나이 과정을 관찰하는 것은 또 다른 이야기입니다. 과학자들은 중성미자가없는 이중 베타 붕괴 (존재하는 경우)가 10 년마다 한 번씩 발생할 수 있다고 추정합니다 (10 ^ 25).
CUORE 협업의 일원 인 오도넬은“중성미자 모드는 우리가 정말로보고 싶어하는 방식이며, 반물질없이 물질을 만들어 내면서 규칙을 어기 게 될 것이다. "반물질 비대칭의 실제 해결책에 대한 첫 번째 단서가 될 것이다."
CUORE 검출기는 텔 루륨 원자의 방사성 붕괴 동안 생성 된 전자로부터 열의 형태로 에너지 특성을 찾습니다. 중성미자 이중 베타 붕괴는 전자의 에너지 스펙트럼에서 독특하고 구별 가능한 피크를 남길 것입니다.
CUORE 협업을위한 기술 조정자 인 Carlo Bucci는 "CUORE는 본질적으로 세계에서 가장 민감한 온도계 중 하나"라고 밝혔다.
10 년 이상 조립 된 CUORE 기기는 알려진 우주에서 가장 차가운 입방 미터입니다. 이 품목은 텔 루륨 이산화물로 만든 988 개의 큐브 모양의 결정으로 구성되어 있으며, 10 밀리 켈빈으로 냉각되거나 화씨 영하 460도 (섭씨 273도)로 가장 차가운 온도의 물리적 온도보다 높은 모발 만 허용합니다. 우주 광선과 같은 외부 입자의 간섭으로부터 실험을 보호하기 위해 검출기는 2,000 년 된 로마 난파선에서 회수 된 매우 순수한 납의 두꺼운 층으로 둘러 쌓여 있습니다.
팀의 기술적 성과에도 불구하고, 중성미자 이벤트를 찾는 것은 쉬운 일이 아닌 것으로 판명되었습니다. 연구원들은 2017 년 초기 결과 이후 수집 된 데이터를 4 배 이상 늘 렸으며, 이는 입자 탐지기에 의해 수집 된 최대 데이터 세트를 나타냅니다. 사전 인쇄 데이터베이스 arXiv에 게시 된 최신 결과는 중성미자 이중 베타 붕괴의 증거가 없음을 보여줍니다.
협력은 여전히이 어려운 더블 에이전트 입자를 사냥하기로 결정했다. 그들의 결과는 전자보다 5 백만 배 이상 가볍다 고 생각되는 Majorana 중성미자의 예상 질량에 더 밀접한 관련이있다. 이 팀은 최초 5 년 실행 후 CUORE를 업그레이드하여 감도를 크게 향상시킬 수있는 새로운 유형의 크리스탈을 출시 할 계획입니다.
O'Donnell은“역사가 미래에 대한 좋은 예측 인이라면 탐지기 기술의 한계를 뛰어 넘어 점점 더 심층적으로 중성미자를 면밀히 조사 할 수있을 것”이라고 말했다. "우리는 중성미자가없는 이중 베타 붕괴, 또는 아마도 더 이국적이고 예상치 못한 것을 발견 할 것입니다."
