Experimentul SuperNEMO şi misterul materiei din Univers

Regiunea Savoia din Franța este cunoscută mai ales pentru pârtiile sale de schi și pentru satele alpine pitorești. Mai puțin cunoscut este faptul că, adânc sub unii dintre versanții muntoși de aici, oamenii de știință cercetează unul dintre cele mai mari mistere din fizică: originea materiei.

Tunelul rutier Fréjus din regiune leagă orașul francez Modane și orașul italian Bardonecchia. Dacă treceţi prin acest tunel, atunci ați putea observa, cu aproximație la mijlocul distanţei dintre cele două localităţi, o ușă verde, îngustă, în peretele tunelului. Această ușă metalică, robustă, separă aerul poluat din tunelul rutier de mediul curat și controlat din cadrul Laboratoire Souterraine de Modane. Acesta este cel mai adânc laborator subteran din Europa, care găzduiește un experiment din fizica particulelor denumit SuperNEMO.

Fizicienii aşteaptă să traverseze tunelul rutier Fréjus. Credit: Justin Evans

Detectorul SuperNEMO, care are o lungime de 6 metri, o înălţime de 4 metri şi o lățime de 3 metri, se află într-o încăpere curată, controlată, care protejează detectorul împotriva contaminării cu cantitățile infime de radioactivitate naturală prezente în murdărie și praf. Muntele însuşi oferă o protecţie faţă de razele cosmice care bombardează, în mod continuu, suprafaţa planetei noastre. O astfel de protecție este necesară deoarece cercetătorii implicaţi în experimentul SuperNEMO au sarcina de a supraveghea mai mult de 7 kilograme de seleniu pentru a căuta una dintre cele mai rare forme de radioactivitate: dezintegrarea beta dublă.

Toate elementele radioactive sunt instabile și ele se dezintegrează până la o stare stabilă datorită schimbărilor din nucleul atomic, care este format din protoni și neutroni. Dezintegrarea beta dublă este un proces radioactiv prin care două neutroni dintr-un nucleu de seleniu se descompun simultan în protoni, în timp ce emit doi electroni și două particule denumite antineutrini.

Antineutrinii sunt un exemplu de antimaterie. Pentru fiecare particulă de materie există o particulă de antimaterie aproape identică, dar cu o sarcină electrică opusă, denumită antiparticulă. Atunci când se întâlnesc o particulă și o antiparticulă, ele se anihilează instantaneu eliberând energie.

Particule enigmatice

Antineutrinii sunt nişte particule misterioase. Să ne referim, pentru început, la spinul acestora. Multe particule se rotesc în timp ce se deplasează, dar neutrinii par să se rotească într-un singur sens. Toţi neutrinii se rotesc în sens invers acelor de ceasornic pe măsură ce se deplasează și toţi antineutrinii se rotesc în sensul acelor de ceasornic. Nu ştim de ce se întâmplă acest lucru.

Ce se poate spune despre masa neutrinilor? Neutrinii sunt mult mai ușori decât orice altă particulă cu masă, atât de ușori încât oamenii de ştiinţă nu au putut măsura, în mod direct, masa lor.

Neutrinul este o excepţie în rândul particulelor, iar atunci când oamenii de știință studiază proprietăţile excepționale ale acestei particule suspectează că ar putea exista un sens profund în spatele acestora care ar putea dezvălui adevărul privind legile naturii. Nu există încă o teorie care să explice toate proprietăţile neobişnuite ale neutrinului, care, spre deosebire de alte particule, nu are sarcină electrică.

Dar fără sarcină electrică, prin ce diferă neutrinul de antineutrin? Există, cu siguranță, o diferență.

În cadrul experimentului SuperNEMO, fizicienii studiază așa-numitul neutrin electronic. Atunci când neutrinii interacționează cu materia se generează electroni încărcați electric negativ. Atunci când antineutrinii interacționează cu materia se generează pozitroni încărcați electric pozitiv, adică antiparticulele electronului.

Dar, înainte de a interacționa cu materia, cum putem cunoaşte dacă este vorba despre un neutrin sau un antineutrin?

Această întrebare l-a determinat pe fizicianul italian Ettore Majorana să analizeze ipoteza conform căreia neutrinul și antineutrinul ar putea fi de fapt aceeași particulă, care se rotește în direcții opuse.

Dacă antineutrinii care rezultă prin dezintegrarea beta dublă, pe care experimentul SuperNEMO îi caută, au capacitatea de a se comporta ca neutrini, atunci doar ocazional unul dintre aceştia ar putea face asta. Asta ar însemna că un antineutrin și un neutrin ar ajunge unul lângă celălalt, ceea ce ar însemna că s-ar putea anihila unul pe celălalt. Dacă se întâmplă acest lucru, atunci energia celor doi electroni produşi în dezintegrarea beta dublă ar creşte în urma procesului de anihilare antineutrin-neutrin și asta este exact ceea ce caută experimentul SuperNEMO: o mică degajare de energie care ne-ar forţa să reanalizăm legătura dintre materie și antimaterie.

În interiorul Laboratoire Souterraine de Modane. Pereții din plastic ai camerei detectorului SuperNEMO protejează detectorul de murdărie și praf. Credit: Justin Evans

Răbdarea este cheia acestei căutări. Timpul de înjumătățire în dezintegrarea beta dublă, care reprezintă momentul în care ne putem aştepta ca un atom să aibă 50% șanse să se dezintegreze, este de 10²⁰ ani. Acesta este un 1 cu 20 de zerouri după el, adică durata de viață a Universului la care mai adaugăm încă 10 zerouri. Și chiar și atunci când se produce o dezintegrare beta dublă, șansa de anihilare a celor doi antineutrini este mică. Noi încercăm să observăm acest lucru deoarece avem o mulțime de atomi de seleniu în detector. Cu toate acestea, ne putem aştepta la doar una sau două astfel de dezintegrări radioactive în fiecare an.

Originea materiei

Dacă observăm o astfel de dezintegrare radioactivă, atunci va trebui să rescriem Modelul Standard din fizică. Aceasta ar fi o descoperire uriașă, deoarece Modelul Standard conține reguli stricte, numite legi de conservare, cu privire la ceea ce se poate întâmpla și cu privire la ceea ce nu se poate întâmpla în dezintegrările și interacțiunile particulelor. Dacă cei doi antineutrini se vor anihila, pentru că unul dintre ei se comportă ca un neutrin, la un moment dat, atunci dezintegrarea beta dublă ar produce doi electroni ca materie și nicio particulă de antimaterie. Acest lucru nu este permis în Modelul Standard, care impune ca materia și antimateria să se producă întotdeauna în cantități egale.

Ajungem astfel la una dintre cele mai profunde întrebări ale fizicii: de ce există mai multă materie decât antimaterie în Univers? S-ar putea crede că știm deja răspunsul la această întrebare: materia a rezultat în urma Big Bangului. Da, dar tot atunci ar fi trebuit să se genereze și o cantitate egală de antimaterie.

Şi atunci, de ce materia și antimateria nu s-au anihilat reciproc?

Dacă neutrinul și antineutrinul sunt într-adevăr aceeași particulă, atunci Modelul Standard trebuie revizuit şi vom putea adăuga mai multe particule asemănătoare neutrinilor în modelul nostru teoretic. Unele dintre aceste particule, asemănătoare neutrinilor, ar putea fi foarte grele, atât de grele încât acceleratorul de particule Large Hadron Collider nu a reușit să le producă, ele fiind produse în Universul foarte timpuriu, atunci când Universul era foarte dens şi foarte fierbinte.

Deoarece acest Model Standard revizuit permite ruperea simetriei dintre materie și antimaterie, aceşti neutrini super-grei ar fi avut, de asemenea, capacitatea de a „alege” să se descompună în mod predominant în materie şi nu în antimaterie, ceea ce ar explica surplusul de materie din Universul timpuriu pe care îl vedem în prezent. În caz contrar, toată materia și antimateria s-ar fi anihilat reciproc și nu s-ar mai fi format stele, planete, galaxii, iar noi nu am fi existat.

În concluzie, dacă vă aflați vreodată în regiunea Savoia din Franța, bucurați-vă de pârtiile de schi şi amintiți-vă şi de experimentul SuperNEMO în care fizicienii particulelor aşteaptă cu răbdare să observe o dezintegrare radioactivă care ar putea explica misterul materiei din Univers.

Traducere şi adaptare după How the SuperNEMO experiment could help solve the mystery of the origin of matter in the universe