Noile experimente axate pe înțelegerea neutrinului enigmatic pot oferi informații.
Compoziția unui artist al Calea Lactee văzută cu un obiectiv de neutrino (albastru). Credit: Colaborare ICECube/NSF/ESO
Tot ceea ce vedem în jurul nostru, de la pământul de sub picioarele noastre până la cele mai îndepărtate galaxii, este făcut din materie. Pentru oamenii de știință, asta a reprezentat de mult timp o problemă: în conformitate cu cele mai bune teorii actuale ale fizicienilor, materie și omologul său, Antimatter, ar fi trebuit să fie creat în cantități egale în momentul Big Bang. Dar Antimatter este rar disparitor în univers. Deci ce s -a întâmplat?
Fizicienii nu știu încă răspunsul la această întrebare, dar mulți cred că soluția trebuie să implice o diferență subtilă în modul în care se comportă materie și antimaterie. Și chiar acum, cea mai promițătoare cale în acel teritoriu neexplorat se concentrează asupra noilor experimente care implică particulele subatomice misterioase cunoscute sub numele de Neutrino.
„Nu înseamnă că neutrinii sunt cu siguranță explicația asimetriei antimateriei materiei, ci o clasă foarte mare de modele care pot explica această asimetrie sunt conectate la neutrini”, spune Jessica Turnerun fizician teoretic la Universitatea Durham din Regatul Unit.
Să ne întoarcem pentru o clipă: când fizicienii vorbesc despre materie, acestea sunt doar lucrurile obișnuite din care este confecționată universul – protoni și neutroni (care alcătuiesc nucleele atomilor), împreună cu particule mai ușoare precum electronii. Deși termenul „Antimatter” are un inel de sci-fi, Antimatter nu este atât de diferit de materie obișnuită. În mod obișnuit, singura diferență este încărcarea electrică: de exemplu, pozitronul – prima particulă antimaterie care trebuie descoperită – se potrivește cu un electron în masa sa, dar poartă o sarcină pozitivă decât o sarcină negativă. (Lucrurile sunt ceva mai complicate cu particulele neutre electric. De exemplu, un foton este considerat a fi propriul său antiparticule, dar un antineutron este distinct de un neutron, prin faptul că este alcătuit din anticharks, mai degrabă decât din quark -uri obișnuite.)
În natură pot exista diverse particule de antimateri; Ele apar în raze cosmice și în Thunderclouds și sunt produse de anumite tipuri de descompunere radioactivă. (Deoarece oamenii – și bananele – contribuie la o cantitate mică de potasiu radioactiv, ei emit cantități minuscule de antimaterie sub formă de pozitroni.)
Cantități mici de antimaterie au fost, de asemenea, create de oamenii de știință în acceleratoare de particule și alte experimente, la efort și cheltuieli mari-care au un amortizor asupra viselor științifice de ficțiune a rachetelor propulsate de arme care distrug antimaterie sau planetă energizate de acesta.
Când materia și antimaterul se întâlnesc, ei se anihilează, eliberând energie sub formă de radiații. Astfel de întâlniri sunt guvernate de faimoasa ecuație a lui Einstein, E = MC2—ENERGIE EGALĂ EGALĂ TIMPURI DE MASĂ PE STAPE CAPUL LUMINII – CARE AFISĂ PUTEȚI SĂ ÎNCĂRCĂȚI PENTRU MATERII ÎN MULTE ENERGIE, SAU VISE TERSA. (Positronii emise de banane și corpuri au atât de puțină masă încât nu observăm cantitățile de energie eliberate atunci când se anihilează.) Deoarece materia și antimaterul se anihilă atât de ușor, este greu să faci o bucată de antimaterie mult mai mare decât un atom, deși în teorie ai putea avea totul, de la molecule antimaterie până la planete antimate și stele.
Dar există un puzzle: dacă materie și antimaterie au fost create în cantități egale în momentul Big Bang, așa cum sugerează teoria, nu ar fi trebuit să se anihilate, lăsând un univers format din energie pură? De ce mai rămâne vreo chestiune?
Cea mai bună ghicire a fizicienilor este că un proces din universul timpuriu a favorizat producția de materie în comparație cu producția de antimaterie-dar exact ceea ce a fost acest proces este un mister, iar întrebarea de ce trăim într-un univers dominat de materie este una dintre cele mai înfiorătoare probleme în toate fizica.
În mod crucial, fizicienii nu au reușit să se gândească la un astfel de proces care să se bazeze cu teoria principală a materiei și energiei, cunoscută sub numele de modelul standard al fizicii particulelor. Acest lucru îi lasă pe teoreticieni să caute idei noi, unele încă o fizică încă necunoscută care depășește modelul standard. Aici intră neutrinii.
Un răspuns neutru
Neutrinii sunt particule minuscule fără nicio sarcină electrică. (Numele se traduce prin „puțin neutru.”) Conform modelului standard, ar trebui să fie fără masă, precum fotonii, dar experimentele începând cu anii 90 au arătat că ei au de fapt o masă minusculă. )
Cu toate acestea, neutrinii au fost lent să -și dea secretele, deoarece abia interacționează cu alte particule. Aproximativ 60 de miliarde de neutrini de la soare trec prin fiecare centimetru pătrat al pielii tale în fiecare secundă. Dacă acei neutrini ar interacționa cu atomii din corpurile noastre, probabil ne -ar distruge. În schimb, trec chiar. „Cel mai probabil nu veți interacționa cu un singur neutrino în viața voastră”, spune Pedro Machadofizician la Fermilab lângă Chicago. „Este atât de puțin probabil.”
Experimentele au arătat însă că neutrinii ”oscila”Pe măsură ce călătoresc, schimbând între trei identități diferite-fizicienii le numesc„ arome ”: Neutrino electronică, Muon Neutrino și Tau Neutrino. Măsurătorile de oscilație au relevat, de asemenea, că neutrinii cu aromă diferită au mase ușor diferite.
Neutrinii sunt cunoscuți că oscilează, schimbând între trei soiuri sau „arome”. Exact modul în care oscilează este guvernat de legile mecanicii cuantice, iar probabilitatea de a constata că un neutrino de electroni s -a transformat într -un neutrino muon, de exemplu, variază în funcție de distanța parcursă. (A treia stare de aromă, Tau Neutrino, este foarte rară.) Credit: Revista cunoscută
Oscilația neutrino este ciudată, dar poate fi ciudat într-un mod util, deoarece ar putea permite fizicienilor să sondăm anumite simetrii fundamentale în natură-iar acestea, la rândul lor, pot lumina cel mai tulburător asimetrii, și anume dezechilibrul de materie al universului.
Pentru cercetătorii cu neutrino, se numește o simetrie cheie Charge-paritate sau simetrie CP. Este de fapt o combinație de două simetrii distincte: schimbarea încărcăturii unei particule contează în antimaterie (sau invers), în timp ce schimbarea parității unei particule se aruncă o particulă în imaginea oglindă (cum ar fi transformarea unei mănuși cu mâna dreaptă într-o mănușă stânga). Deci, versiunea CP-oppozită a unei particule de materie obișnuită este o imagine în oglindă a antiparticulelor corespunzătoare. Dar această particulă opusă se comportă exact la fel ca cea originală? Dacă nu, fizicienii spun că simetria CP este încălcată – un mod fantezist de a spune că problema și antimaterul se comportă ușor diferit unul de celălalt. Deci, orice exemple de încălcare a simetriei CP în natură ar putea ajuta la explicarea dezechilibrului antimaterie materie.
De fapt, încălcarea CP a fost deja observat În unele mezoane, un tip de particule subatomice formate de obicei dintr -un quark și un anticar, un rezultat surprinzător găsit pentru prima dată în anii ’60. Dar este un efect extrem de mic și nu este mult decât să poată ține cont de asimetria antimateriei de materie a universului.
În iulie 2025, oamenii de știință care lucrează la Marele Hadron Collider de la Cern, lângă Geneva, au raportat clar dovezi pentru o încălcare similară Printr-un tip de particule dintr-o familie diferită de particule subatomice cunoscute sub numele de barioni-dar această încălcare CP recent observată se crede în mod similar a fi mult prea mică pentru a ține cont de dezechilibrul antimateriei.
Simetria de sarcină sau CP este o combinație de două simetrii distincte: schimbarea sarcinii unei particule de la pozitiv la negativ, de exemplu, flip-uri contează în antimaterie (sau invers), în timp ce schimbarea parității unei particule aruncă o particulă în imaginea oglinzii sale (cum ar fi transformarea unei mănuși drepte într-o mănușă la stânga). Luați în considerare un electron: întoarceți -vă sarcina și ajungeți cu un pozitron; Îndepărtați-și „manevrarea”-în fizica particulelor, aceasta este de fapt o proprietate cuantică-mecanică cunoscută sub numele de spin-și obțineți un electron cu spin opus. Întoarceți ambele proprietăți și obțineți un pozitron care este ca o imagine în oglindă a electronului original. Dacă această particulă CP-flipped se comportă la fel ca electronul original este o întrebare cheie: dacă nu, fizicienii spun că simetria CP este „încălcată”. Orice exemple de încălcare a simetriei CP în natură ar putea ajuta la explicarea dezechilibrului antimaterie-materie observat în universul astăzi. Credit: Revista cunoscută
Experimente la orizont
Deci, ce zici de neutrini? Încă încalcă simetria CP-și, dacă da, o fac într-un mod suficient de mare pentru a explica de ce trăim într-un univers dominat de materie? Aceasta este tocmai întrebarea abordată de o nouă generație de experimente de fizică a particulelor. Cel mai ambițios dintre ei este Experiment profund subteran neutrino (Dune), care este acum în construcție în Statele Unite; Colectarea datelor ar putea începe încă din 2029.
Dune va folosi cel mai intens fascicul de neutrino din lume, care va trage atât neutrini, cât și antineutrinoși de la Fermilab la Facilitatea de cercetare subterană din Sanfordsituat la 800 de mile distanță în Dakota de Sud. (Nu există un tunel; neutrinii și antineutrino -urile pur și simplu se fixează prin pământ, în mare parte, observând cu greu că este acolo.) Detectoarele de la fiecare capăt al fasciculului vor dezvălui modul în care particulele oscilează pe măsură ce traversează distanța dintre cele două laboratoare – și dacă comportamentul neutrinicilor diferă de cea a antineutrinilor.
Dune nu va reduce cantitatea precisă de încălcare a simetriei CP a Neutrinosului (dacă există), dar va seta o limită superioară. Cu cât este mai mare efectul posibil, cu atât este mai mare discrepanța în comportamentul neutrinicilor față de antineutrinos, iar cu atât este mai mare probabilitatea ca neutrinii să fie responsabili pentru asimetria de materie-antimaterie din universul timpuriu.
Experimentul profund subteran neutrino (Dune), aflat acum în construcție, va vedea atât neutrinii, cât și antineutrino -urile tras de sub Fermilab, lângă Chicago, până la instalația de cercetare subterană din Sanford, la aproximativ 800 de mile distanță, în Dakota de Sud. Neutrinii pot trece prin pământul nealterat, fără a fi nevoie de un tunel. Experimentul ambițios poate dezvălui modul în care comportamentul neutrinicilor diferă de cel al omologilor lor antimateri, antineutrinos. Credit: Revista cunoscută
Pentru Shirley Lifizician la Universitatea din California, Irvine, problema încălcării CP Neutrino este o întrebare urgentă, una care ar putea indica calea către o regândire majoră a fizicii particulelor. „Dacă aș putea avea o întrebare răspuns până la sfârșitul vieții mele, aș vrea să știu despre ce este vorba”, spune ea.
În afară de faptul că este o descoperire majoră în sine, încălcarea simetriei CP în Neutrinos ar putea contesta modelul standard, indicând calea către alte fizice noi. De exemplu, teoreticienii spun că ar însemna că ar putea exista două tipuri de neutrini-cele cu mâna puternică (cele normale ușoare observate până în prezent) și neutrine mult mai grele, care sunt până acum doar o posibilitate teoretică. („Înmânarea” particulelor se referă la proprietățile lor cuantice.)
Acești neutrini drepți ar putea fi până la 1015 ori mai grele decât protonii și ar fi instabili, în descompunere aproape instantaneu după ce au intrat în existență. Deși nu se găsesc în universul de astăzi, fizicienii bănuiesc că neutrinele drepte ar fi putut exista în momentele după Big Bang-eventual să se descompună printr-un proces care a imitat încălcarea CP și a favorizat Crea materie peste antimaterie.
Este chiar posibil ca neutrinii pot acționa ca propriile lor antiparticule– adică că neutrinii s -ar putea transforma în antineutrinos și invers. Acest scenariu, pe care l-ar susține descoperirea neutrinelor din dreapta, ar face neutrinos fundamental diferit de particule mai cunoscute precum quarks și electroni. Dacă antineutrino -urile se pot transforma în neutrini, acest lucru ar putea ajuta să explice unde a mers antimaterul în primele momente ale universului.
O modalitate de a testa această idee este de a căuta un tip neobișnuit de descompunere radioactivă – teoretizat, dar până acum niciodată observat – cunoscut ca „Decaderea dublă-beta neutrinolesă. ” În descompunerea regulată a dublei beta, doi neutroni dintr-un nucleu se descompun simultan în protoni, eliberând doi electroni și doi antineutrini în proces.
O serie de experimente sunt în curs de desfășurare sau planificate să caute acest proces de descompunere, inclusiv Kamland-zen experiment, la unitatea de detectare a neutrinilor Kamioka din Japonia; Nexo experiment la unitatea Snolab din Ontario, Canada; URMĂTORUL experiment la laboratorul subteran Canfranc din Spania; și LEGENDĂ Experiment la Laboratorul Gran Sasso din Italia. Kamland-Zen, Next și Legend sunt deja în funcțiune.
În timp ce aceste experimente diferă în detalii, toate folosesc aceeași strategie generală: folosesc o TVA uriașă de material dens și radioactiv, cu tablouri de detectoare care caută emisia de electroni neobișnuit de energetici. (Însoțitorii de neutrino așteptați de electroni ar lipsi, cu energia ei ar fi avut în schimb transportat de electroni.)
În timp ce Neutrino rămâne unul dintre cele mai misterioase dintre particulele cunoscute, renunță încet, dar constant, la secretele sale. Așa cum face acest lucru, poate crăpa puzzle-ul universului nostru dominat de materie-un univers care se întâmplă să permită creaturilor curioase ca noi să înflorească. Neutrinii care se potrivesc în tăcere prin corpul tău în fiecare secundă dezvăluie treptat universul într -o nouă lumină.
„Cred că intrăm într -o eră foarte interesantă”, spune Turner.
Acest articol a apărut inițial în Revista cunoscutăo publicație nonprofit dedicată pentru ca cunoștințele științifice să fie accesibile tuturor. Înscrieți -vă la buletinul informativ al revistei cunoscute.
Revista cunoscută explorează semnificația din lumea reală a muncii savante printr-o lentilă jurnalistică.
