Långsam mätning avslöjar mer om universums födelse

Stora smällen skapade lika mycket materia och antimateria, vilka borde ha förstört ­varandra. Ändå skapades universum. Nu ska en fem år lång mätning leta efter ett enormt sällsynt atomsönderfall som kan avslöja hur det gick till.

Stora smällen skapade lika mycket materia och antimateria, vilka borde ha förstört ­varandra. Ändå skapades universum. Nu ska en fem år lång mätning leta efter ett enormt sällsynt atomsönderfall som kan avslöja hur det gick till.

Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Först fanns det ingenting och så uppstod plötsligt allt: Tid, dimensioner, naturlagar och den materia som senare blev till stjärnor, planeter och liv.

Så lyder universums skapelseberättelse enligt den mest accepterade teorin – stora smällen. Men flera förhållanden kring universums födelse är fortfarande omgärdade av mystik.

En av de största obesvarade frågorna är varför det överhuvudtaget finns någon materia. Enligt fysikernas modeller var stora smällen symmetrisk, det vill säga att det bildades lika mycket vanligt materia som antimateria.

När materia och antimateria möts förstör de varandra och förvandlas till strålning. Därför borde stora smällen ha resulterat i att det nybildade universum fylldes med strålning.

Men så gick det som bekant inte. I stället fylldes universum med små beståndsdelar som sedan blev bygg-stenar för de partiklar vi känner till i dag.

Nu kanske ett team av fysiker snart kan hitta svaret på varför. Under berget Gran Sasso i Apenninerna i Italien ska den färdigbyggda detektorn Cuore undersöka den enda partikel som möjligtvis fortfarande bär på hemligheten bakom varför stora smällen inte blev en blindgångare: Neutrinon.

Världens kallaste detektor ska avslöja sällsynt sönderfall

/ 4

Sönderfall dröjer

Detektorn har 988 kuber med 34 procent av den dubbelt betaradioaktiva tellurisotopen 130Te. Den är så pass lite radioaktiv att en atom bara sönder-faller en gång på 10^24 år. I detektorn sker ett sönderfall per år, vilket gör försöket till världens långsammaste. Några av sönderfallen kan vara de som forskarna letar efter.

1

Kuber mäter värme

Kuberna har en så kallad termistor av germanium vars elektriska ledningsförmåga ändras i takt med temperaturen. Det gör ämnet till en känslig termometer som kan registrera små ändringar och avslöja det sönderfall som forskarna söker. 100 gånger per sekund skickar termistorerna data till en central dator.

2

kylning ger jordens kallaste kubikmeter

Detektorn kyls ned med så kallad dilutionskylning som utnyttjar de två stadier heliums isotoper uppträder i precis över den ­absoluta nollpunkten. Det ger 0,007 grader över den absoluta nollpunkten, vilket gör Cuore till jordens kallaste kubikmeter.

3

Romerskt bly stoppar främmande strålning

För att slippa inträngande partiklar har detektorn en kappa av bly. En del kommer från blytackor som hittats i romerska fartyg i Medelhavet. Nästan allt radioaktivt bly har sönderfallit efter alla år på havsbotten och blyet stör därför inte mätningen.

4
© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Partikel uppstod som provisorium

Neutrinons existens förutspåddes för första gången 1930 av fysikern Wolfgang Pauli. Han hittade på den lilla partikeln i desperation över att inte kunna få ihop ekvationen för energin vid så kallat betasönderfall.

Han visste att när radioaktivt materia genomgår betasönderfall omvandlas en neutron i atomkärnan till en proton som blir kvar i kärnan samt en elektron som avges.

Men Wolfgang Paulis experiment visade att den avgivna elektronen hade mindre energi än massdifferensen mellan neutronen och protonen.

Han införde därför en ny liten partikel som kunde bära den saknade energin – och så var neutrinon född.

Wolfgang Pauli kunde dock inte bevisa sin teori. Först 1956 lyckades de två amerikanska fysikerna Frederick Reines och ­Clyde Cowan påvisa neutriners existens.

Forskarna gjorde sina experiment nära en kärnreaktor som de visste borde skicka ut enorma mängder av de små partiklarna. Här letade de efter två gammastrålar som avges när en neutrino kolliderar med en proton.

Kollisionen skapar en neutron och en positron som förstörs och omvandlas till strålning eftersom den är en antipartikel.

Detektor letar efter ett särskilt sönderfall

Detektorn Cuore ska användas för att hitta en mycket ovanlig form av radioaktivt sönderfall – så kallad neutrinolöst dubbelt betasönderfall. Om sönderfallet uppstår är det bevis för att neutrinon är sin egen antipartikel.

Om så är fallet har forskarna också förklarat varför universum är fyllt med materia och inte bara strålning från materia och antimateria, som förstör varandra. Om neutrinon är sin egen antipartikel kan även andra partiklar vara det, exempelvis de tunga och energirika partiklar som uppstod i det tidiga universum. Då kunde partiklarna sönderfalla till mer materia än antimateria.

Neutriner håller sig för sig själva

Sedan Frederick Reines och Clyde Cowans försök har det experimenterats mycket med neutriner, men de är fortfarande dåligt beskrivna vetenskapligt eftersom de är så extremt svåra att mäta.

Trots att forskarnas mätutrustning vid kärnreaktorn träffades av 50 biljoner neutriner per kvadratcentimeter varje sekund inträffade en kollision mellan en neutrino och en neutron bara tre gånger per timme.

Det beror på att partiklarna bara växelverkar med andra partiklar genom tyngdkraften, som är försvinnande liten, och den svaga växelverkan.

Den svaga växelverkan avtar så snabbt med avståndet att den i princip bara är intressant inne i en atomkärna och i de närmaste omgivningarna.

I Gran Sasso National-laboratoriet i Italien har forskere bygget detektoren Cuore, der skal udføre verdens langsomste måling.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Det betyder att sannolikheten att en neutrino ska påverka en annan partikel är försvinnande liten.

Exempelvis passerar i stort sett alla de neutriner som solen hela tiden avger – cirka 1038 neutriner per sekund – fullständigt obehindrat genom jorden med en hastighet nära ljusets och tiotusentals av dem passerar varje sekund genom din kropp utan att du märker det. Därför kallas neutrinon också för spökpartikeln.

Forskarna vet dock att neutriner är några av de vanligast förekommande partiklarna i universum. De har ingen laddning och finns i minst tre olika varianter. Minst en av dem har en massa men denna är flera miljoner gånger mindre än elektronens.

10^24 är i genomsnitt det antal år som går innan en atom av isotopen 130Te sönderfaller.

Dubbelroll kan lösa gåtan

Fysikerna talar också om att det måste finnas både neutriner och antineutriner som två olika partiklar. Alla de partiklar fysikerna känner till i dag har en känd anti­partikel – bortsett från neutrinon.

Därför misstänker ­fysikerna nu att neutrinon kanske kan vara sin egen antipartikel – och om den är det kan den lilla partikeln lösa mysteriet om hur ett universum av materia kunde födas vid stora smällen.

Forskarnas teori är att tunga så kallade hermafroditpartiklar – partikel och anti­partikel i ett – skapades omedelbart efter stora smällen. På grund av deras dubbelnatur kunde de sönderfalla till betydligt mer materia än antimateria och därmed skapa universum.

I dag är sådana partiklar sedan länge försvunna – de kunde bara existera under det ­mycket tidiga och energirika universum. Men om neutrinon visar sig vara sin egen antipartikel vet man att de tidiga, ­tunga partiklarna också kunde vara båda delar.

Noll neutriner är nyckeln

Detektorn Cuore ska just försöka ­avslöja neutrinons dubbla roll som sin egen antipartikel. Cuore står för ”Cryogenic Underground Observatory for Rare Events”, eller på svenska ”underjordiskt lågtemperaturobservatorium för sällsynta händelser”.

I Gran Sasso National-laboratoriet i Italien har forskere bygget detektoren Cuore, der skal udføre verdens langsomste måling.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

De sällsynta händelserna är en särskild typ av sönderfall av en radioaktiv isotop av grundämnet tellur, som heter 130Te. I hög koncentration är ämnet betaradioaktivt, men på ett annat sätt än det betasönderfall som Wolfgang Pauli undersökte.

I stället för att en neutron sönderfaller till en proton, en elektron och en neutrino sönderfaller två neutroner i 130Te till två protoner, två elektroner och två neutriner genom ett dubbelt betasönderfall.

Om neutrinon är sin egen antipartikel kan det ibland inträffa ett särskilt neutrinolöst dubbelt betasönderfall där de två neutrinerna neutraliserar varandra i samma ögonblick som de uppstår.

Därmed behöver de elektroner som avges vid sönderfallet bara bära den energi som motsvarar mass-differensen mellan de två neutronerna och de två protonerna.

Värme avslöjar sönderfall

Det är just den energin som Cuore letar efter.

Till en början kördes Cuore 2017 i två månader för att fastslå halveringstiden för 130Te så att forskarna vet hur många neutrinolösa sönderfall de kan förvänta sig från mängden i detektorn.

Resultatet visar att de högst kan hitta ett om året eller fem på de fem år som experimentet körs, vilket gör det till världens långsammaste försök.

Men det är värt att vänta på – kan Cuore fånga det sällsynta sönderfallet har den samtidigt avslöjat hur hela universum kunde bli till.