У холодній італійській лабораторії вчені використовують екстремальний холод і стародавні матеріали, щоб кинути виклик існуючим законам фізики. Їхні дослідження, спрямовані на виявлення таких явищ, як безнейтринний подвійний бета-розпад, можуть змінити розуміння матерії та антиматерії у Всесвіті, залучаючи студентів до новаторських експериментів.
Дослідження таємниць Всесвіту: італійська лабораторія
У підземній лабораторії, розташованій під Апеннінськими горами в Італії, де досягнуто найнижчих температур у відомому Всесвіті, команди міжнародних вчених працюють над розгадкою однієї з найбільших таємниць фізики елементарних частинок.
Серед понад 150 провідних дослідників, які зробили внесок у цю новаторську роботу, є професор фізики Каліфорнійського університету Томас Гутьєррес. Як головний дослідник трирічного гранту в розмірі 340 000 доларів, який фінансується Національним науковим фондом, Гутьєррес відіграє ключову роль у проекті.
У пошуках забороненого ядерного розпаду
Дослідження проводяться в Національній лабораторії Гран-Сассо, розташованій поблизу Ассерджі, Італія, приблизно в 80 милях на північний схід від Риму. Цей передовий заклад збирає вчених із престижних закладів, зокрема Каліфорнійського університету в Берклі, Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, Єльського університету, Массачусетського технологічного інституту, Джона Хопкінса, Каліфорнійського університету Полі та відомих університетів Європи та Азії.
Фінансування NSF покриває витрати, пов’язані з подорожами Cal Poly та експериментами за участю студентів. Разом з іншими вченими Гутьєррес і його студентська команда Cal Poly досліджують недоведені теорії, пов’язані з ядерним розпадом, також відомим як радіоактивний розпад, процес, під час якого нестабільне атомне ядро втрачає енергію через випромінювання. Їхня робота спрямована на те, щоб краще пояснити, чому Всесвіт наповнений матерією, і розкрити інші таємниці, які спантеличили вчених протягом багатьох поколінь.
Розкриття секретів нейтрино
«Якщо ви можете знайти щось, що порушує закони фізики, то це відкриття», — сказав Гутьєррес. «Зараз ми шукаємо такий тип ядерного розпаду, який зараз заборонений законами фізики. Це не повинно статися. Отже, якщо це так, а це те, що ми шукаємо, це багато розповість вам про те, як влаштований світ».
Дослідження продовжують наукову співпрацю, розпочату в рамках міжнародної програми CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), яка тепер називається CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification). Слово «cuore» в перекладі з італійської означає серце; таким чином абревіатура використовує «купідон» для наступного, останнього етапу програми.
Сфера досліджень Гутьєрреса зосереджена на нейтрино, які є крихітними частинками з дуже невеликою кількістю маси. Нейтрино, які були у великій кількості у Всесвіті під час Великого вибуху та рухалися зі швидкостями, близькими до світлових, також можуть виникати в результаті сильних спалахів, як вибухаючих зірок. Нейтрино часто утворюються в результаті радіоактивного розпаду. Оскільки вони не дуже взаємодіють і є нейтральними, вони можуть допомогти пояснити загадки Всесвіту, пов’язані з матерією та антиматерією.
Проблемна симетрія матерії та антиматерії
У сучасній фізиці всі частинки мають античастинки, власний аналог антиматерії: електрони мають антиелектрони (позитрони), кварки мають антикварки, а нейтрони та протони (з яких утворюються ядра атомів) мають антинейтрони та антипротони.
«Згідно із законами фізики, мала бути рівна кількість матерії та антиматерії, і всі вони повинні були знищитися, зникнути, і ми не повинні існувати», — сказав Гутьєррес. «Проте ця маленька частинка матерії, що залишилася, — це ми. Чому ми взагалі існуємо? Навіщо взагалі ця тріска? Тож це свого роду загадка».
Згідно з давньою науковою теорією, нейтрино, які мають нейтральний заряд, можуть бути своїми власними античастинками. Але ця концепція ніколи не була доведена. Робота CUPID сподівається виявити можливість безнейтринного подвійного бета-розпаду, радіоактивного процесу, під час якого атомне ядро випускає два електрони, але не випускає нейтрино. Спостереження цього розпаду підтвердило б гіпотезу про те, що нейтрино є своїми власними античастинками.
«Якщо відбувається безнейтринний подвійний бета-розпад, це повідомляє нам всю цю інформацію про основи існування матерії, не тільки цієї, а всієї матерії», — сказав Гутьєррес. «Це дуже потужно».
Інновації в технології виявлення частинок
Гутьєррес і міжнародна наукова група співпрацюють у дослідженні кристалів діоксиду телуру, суміші телуру та кисню.
«Існує гіпотеза, що ізотоп телуру може зазнавати подвійного бета-розпаду без нейтрин», — сказав Гутьєррес.
Близько третини ядер телуру в цьому шматку кристала є правильним ізотопом, сказав Гутьєррес.
«Ідея полягає в тому, щоб використовувати детектор із цього кристала, щоб він вимірював власний розпад», — сказав Гутьєррес. «Він виділить дуже певну кількість енергії, підвищуючи температуру, яку ми можемо спостерігати. За допомогою цього тестування, у найкращому випадку, ми хотіли б мати змогу сказати, чи є нейтрино власною античастинкою».
Значення стародавніх матеріалів у сучасних дослідженнях
Італійська лабораторія захищає космічні промені та іншу природну радіоактивність через приблизно кілометр скелі в кожному напрямку та захисний екран товщиною шість сантиметрів, виготовлений із вивареного свинцю, вилученого з затонулого давньоримського торговельного корабля. Стародавній свинець, який використовувався як захисний охоронець для досліджень лабораторії, не містить власного радіоактивного матеріалу через природний процес, який відбувався століттями, демонструючи ефективність багатовікового свинцю для науки.
Італійський заклад є найбільшим підземним дослідницьким центром у світі. Холодні умови дослідження були розроблені для температур близько 10 мілікельвінів або -441,74 градуса за Фаренгейтом, найхолоднішого об’єму такого розміру у Всесвіті. Такі низькі температури допомагають науці про частинки, оскільки коли частинки охолоджуються, вони рухаються набагато повільніше, що дозволяє вченим точніше вивчати їхню поведінку.
За словами Гутьєрреса, люди «б’ються головою об стіну, намагаючись зрозуміти» теорії про протилежність антиматерії проти матерії та про те, як можуть бути задіяні нейтрино.
«Є багато різних шляхів, які люди досліджували, але близько 30 років тому ця ідея про те, що якщо цей розпад відбувається, це говорить нам про властивості матерії, і що це означало б, що Всесвіт насправді віддає перевагу матерії над антиматерією. зовсім трохи», — сказав Гутьєррес.
Студенти Cal Poly вже зробили свій внесок і продовжуватимуть це робити, включно з Реагеном Гарсіа, фахівцем з фізики з Морро-Бей, Каліфорнія. Частина її роботи включає проведення дистанційних змін роботи детектора експерименту, що відбувається в Італії.
«CUORE потрібно постійно контролювати, тому зміна роботи дистанційного детектора є важливою частиною експерименту», — сказав Гарсія. «Грант допоможе студентам взяти участь у цих змінах. Це також допоможе відправити студентів до Італії чи інших університетів, які є частиною співпраці».
Гарсія також проводив літню роботу в лабораторії Райта Єльського університету , установі, яка співпрацює з експериментом CUPID, де Гарсія проводив тестування системи детектора частинок.
«Це було захоплююче бути частиною таких детальних, конкретних аспектів експериментального дизайну», — сказав Гарсія. «Це минуле літо в Єльському університеті було найзахоплюючішим і найкориснішим дослідницьким досвідом, у якому я мав можливість брати участь».