Potraga za Ništam ne bi mogla objasniti zašto uopće postoji nešto

Postojanje vrste nuklearnog propadanja u kojoj su neutrini odsutni - dvostruko beta-raspadanje bez neutrina - moglo bi sugerirati zašto u Svemiru uopće postoji nešto.

Bill Fairbank, profesor fizike sa Sveučilišta u Koloradu, proučava temeljne čestice materije poznate kao neutrini. Preciznije, on traži izuzetno rijedak slučaj radioaktivnog raspada u kojem neutrini - inače prisutni u takvim raspadima - izostaju.

Profesor fizike Sveučilišta Colorado State Bill Fairbank sa jednoatomnim aparatom za snimanje svog laboratorija (John Eisele / Sveučilište Colorado State)

Otkriće je od određenog značaja, jer može dovesti do preispitivanja standardnog modela fizike čestica.

Ovo propadanje - "neutrino dvostruko beta-raspadanje" - teoretizirano je, ali nikada prije nije opaženo. Stoga bi njegovo otkriće vjerojatno ukaljilo svijet fizike čestica. Moglo bi potencijalno riješiti i dugogodišnje misterije o osnovnim svojstvima neutrina, možda najbrojnijim, ali najmanje razumljivim česticama u svemiru.

Uz sve to, mogao bi odgovoriti na temeljno pitanje zašto materija dominira nad materijom u svemiru.

Barijevo označavanje - novi alat za istragu.

Fairbank-ov tim - koji je dio međunarodne znanstvene suradnje EXO-200 (Obogaćeni ksenonski opservatorij), lov na neutrino dvostruko beta raspadanje pomoću detektora čestica napunjenih super-hladnim tekućim ksenonom od 2005. godine - postavio je temelj za jedno-atom strategija osvjetljenja koja se naziva barijsko označavanje. Njihovo je postignuće prva poznata slika pojedinačnih atoma u čvrstom plemenitom plinu.

Fairbank objašnjava zašto Bariumovo označavanje predstavlja bolju šansu za otkrivanje neutrinog dvostrukog beta-raspada od prethodnih metoda: „U trenutnim vodećim eksperimentima detektiraju se samo elektroni i mjere im se energija. To znači da postoji nekoliko događaja koje ne možete razlikovati od neutrinog dvostrukog beta raspada. "

Do sada je EXO-200 detektor proizveo događaje propadanja ispravne energije, ali nema konačnog viška nad onim što se očekuje od izmjerene pozadine detektora.

Fairbank dalje objašnjava da ti ispadi ne stvaraju kći atom barija, dok dvostruko beta raspadanje neutrino.

Fairbank nastavlja: "Ako bismo uspjeli otkriti ovaj barijev atom, mogli bismo reći" da, ovo je doista neutralan dvostruki beta raspad "i isključiti ostale događaje."

Eksperiment nEXO mogao bi upotrijebiti označavanje barijem da to učini - pojačavši osjetljivost detektora na neutrino-dvostruko beta raspadanje do faktora 4 - na taj način omogućava znanstvenicima da jasno odrede nuklearne produkte dvo-beta raspada razdvajanjem stvarnih događaja od pozadinski imposter signali.

Detektor čestica EXO-200 - smješten na pola milje pod zemljom u Carlsbadu, New Mexico, - napunjen je 170 kilograma izotopno obogaćenih ksenonskih atoma u tekućem obliku. Nestabilni ksenonski izotopi povremeno podliježu radioaktivnom raspadu, oslobađajući dva elektrona i dva neutrina koji mijenjaju atome ksenona u atome barija.

Fairbank opisuje mukotrpne mjere poduzete kako bi se osiguralo da nijedan sastojak EXO-200 nije 'kontaminiran' u njihovom eksperimentu: "Svaka žica, vijak, matica i vijak morali su se proučavati radi sitnih tragova urana i torija. To bi moglo stvoriti pozadinu kakvu rijetko viđamo. "

Ako raspad proizvede samo dva elektrona i atom barija, to signalizira da bi se moglo dogoditi neutralan dvostruki beta-raspad. To je značajno jer se može dogoditi samo ako je neutrino jednaka jednaka, suprotna antičestica.

Neutrinovi - vlastiti antičestica?

Standardni model fizike čestica kaže da svaka čestica ima svoju antičesticu. Dakle, elektroni imaju pozitrone; njih dvoje dijele istu masu, ali jednak i suprotan naboj.

Za neutrine koji ne nose elektromagnetski naboj slika je složenija. Mogli bi biti vlastiti antičestica. To je značajno jer ako su neutrini doista vlastite antičestice, onda se sami uništavaju - to dovodi do kršenja očuvanja "leptonskog broja".

Fairbank kaže: "Da su ove čestice (neutrini i antineutrinovi) iste, leptonski broj više ne bi imao točno značenje."

Ako se brojevi leptona ne očuvaju - tako da se broj leptona prije i nakon interakcije može razlikovati - to bi moglo objasniti zašto se jednake količine materije i antimaterije nisu uništile jedna drugu odmah nakon velikog praska.

Fairbank ističe: "Prekid očuvanja broja leptona pruža mehanizam za objašnjenje ove rane razlike između materije i antimaterije."

Stoga bi potvrda takvog raspada neutrina uzrokovala nešto promjene u paradigmi u fizici - što bi zahtijevalo ažuriranje Standardnog modela fizike čestica. Nešto od promjene paradigme u fizici.

Fairbanks objašnjava: „Očuvanje broja Leptonova je verificirano već neko vrijeme i za sada nismo pronašli eksperimentalne dokaze. Ali ako bismo otkrili da su neutrini i antineutrini isti, to mijenja naše mišljenje. "

Uz to, izmjereni poluživot raspada pomogao bi znanstvenicima posredno mjeriti apsolutne mase neutrina - podvig koji nikada prije nije izveden.

Rad označavanja barijera podržao je program INSPIRE Nacionalne zaklade za znanost.

John Gillaspy, fizičar iz Nacionalne zaklade za znanost, kaže o toj metodi: „Nevjerojatno je razmišljati o tome koliko su ti eksperimenti osjetljivi.

"U eksperimentima prije 30 godina, bilo mi je izazovno potražiti egzotične atome 'na milion'. Ovo je novo istraživanje tražilo atome koji su bili 10 milijuna puta rjeđi. Fizika i kemija prešli su dug put. Uzbuđen sam što razmišljam o tome što će Fairbank i njegovi kolege s vremenom pronaći ovu novu tehniku, jer ona ima potencijal da se stvarno otrese onoga što znamo o temeljnoj prirodi stvarnosti. "

U svojoj studiji - koja će biti objavljena u časopisu "Nature", tim Fairbank-a opisuje kriogenu sondu za zamrzavanje barijinog "kćerkinog" atoma - proizvedenog radioaktivnim raspadom izotopa ksenon-136 - u čvrstom ksenonu na kraju sonde. Zatim koriste lasersku fluorescenciju za osvjetljavanje pojedinih atoma barija unutar sada čvrstog ksenona.

Fairbank komentira: "Naša je grupa bila prilično uzbuđena kada smo dobili slike pojedinačnih atoma barija."

Budućnost za standardni model i "metodu označavanja"

U laboratoriju na Sveučilištu Colorado State: Alec Iverson, James Todd, David Fairbank, Chris Chambers i Bill Fairbank

Na pitanje koja su buduća puta istraživanja koncepta neutrina i antineutrina kao iste čestice otvorene, Fairbank daje odgovor koji odražava koliko bi ovo otkriće bilo revolucionarno.

On kaže: „To je dobro pitanje. Nisam siguran da postoji jasan odgovor. Neposredni utjecaj na druge eksperimente nije jasan jer je to jedini način na koji znamo kako to istražiti.

"To otvara mogućnost istraživanja razloga što neutrini imaju tako male mase pomoću mehanizma koji se naziva" mehanizam za pročišćavanje ".

Ovo je ideja da "ljevoruki" neutrini, koji imaju malu masu, imaju skrivenog, do sada neotkrivenog partnera s desnom desnicom.

Fairbank također vidi neposrednu primjenu metode označavanja u astrofizikama - koristeći magnezij, a ne barij. Takva se istraživanja trenutno provode na Michigan State University.

Fairbank tehnika jednostrukog atoma označavanja može se generalizirati i za druge primjene, s implikacijama na polja koja uključuju nuklearnu fiziku, optičku fiziku i kemiju.

Fairbank je jasno da je to bilo veliko nastojanje tima i da je bez njegovih suradnika u laboratoriju na Sveučilištu Colorado State - Alec Iverson, James Todd, David Fairbank i Chris Chambers - razvoj označavanja barija i znanje koje se jednostavno otvara. ne bi bilo moguće.

Pročitajte ovu priču kasnije u časopisu Journal.

Every Budite se svakog nedjeljnog jutra u inboxu najistaknutije Tech-ove priče, mišljenja i vijesti: čekajte bilten newsletter>