Seit Jahren versteckt sich ein internationales Forscherteam tief unter einem Berg in Mittelitalien und sammelt unermüdlich die empfindlichsten Messungen vom kältesten Kubikmeter des bekannten Universums. Die Wissenschaftler suchen nach Beweisen dafür, dass gespenstische Teilchen, sogenannte Neutrinos, nicht von ihren eigenen Antimaterie-Gegenstücken zu unterscheiden sind. Wenn dies bewiesen wird, könnte die Entdeckung ein kosmisches Rätsel lösen, das die Physiker seit Jahrzehnten plagt: Warum existiert Materie überhaupt?
Sie wissen seit langem, dass Materie einen bösen Zwilling hat, der Antimaterie genannt wird. Für jedes fundamentale Teilchen im Universum gibt es ein Antiteilchen, das fast identisch mit seinem Geschwister ist, mit der gleichen Masse, aber entgegengesetzter Ladung. Wenn sich ein Teilchen und ein Antiteilchen von Angesicht zu Angesicht treffen, vernichten sie sich gegenseitig und erzeugen reine Energie.
"Wir haben diese offensichtliche vollständige Symmetrie der Bilanzierung zwischen Materie und Antimaterie", sagte Thomas O'Donnell, Professor für Physik an der Virginia Tech University, gegenüber Live Science. "Jedes Mal, wenn Sie ein Stück Materie herstellen, stellen Sie auch ein ausgleichendes Stück Antimaterie her, und jedes Mal, wenn Sie ein Stück Materie zerstören, müssen Sie ein Stück Antimaterie zerstören. Wenn dies zutrifft, können Sie niemals mehr von einem Typ haben als die anderen."
Diese Symmetrie steht im Widerspruch zu unserem gegenwärtigen Verständnis, wie das Universum begann. Nach der Urknalltheorie, als sich das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren von einer infinitesimalen Singularität ausdehnte, wurde angenommen, dass gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sind. Wenn Astronomen heute jedoch in den Kosmos blicken, besteht das Universum fast ausschließlich aus Materie, wobei keiner seiner bösen Zwillinge in Sicht ist. Noch beunruhigender ist, wenn die Urknalltheorie richtig ist, sollten wir - ja, Menschen - heute nicht hier sein.
"Wenn Materie und Antimaterie dieser Symmetrie vollständig gehorchen würden, hätten sich im Verlauf des Kosmos alle Materie und Antimaterie zu Photonen vernichtet und es wäre keine Materie mehr für Sterne, Planeten oder sogar menschliche Zellen übrig. Wir würden nicht existieren!" Sagte O'Donnell. "Die große Frage ist dann: 'Hat dieses Rechnungslegungsschema irgendwann während der Entwicklung des Universums gebrochen?'"
Diese Frage hoffen O'Donnell und seine Kollegen zu beantworten. In den letzten zwei Jahren hat ihr Team Daten aus dem CUORE-Experiment (Cryogenic Underground Observatory für seltene Ereignisse) im Gran Sasso National Laboratory in Italien gesammelt und analysiert und nach der rauchenden Waffe gesucht, die dieses kosmische Geheimnis lösen könnte.
Die kleinen Neutralen
CUORE, was auf Italienisch "Herz" bedeutet, sucht nach Beweisen dafür, dass schwer fassbare subatomare Teilchen, die Neutrinos genannt werden, ihre eigenen Antiteilchen sind, was Physiker ein Majorana-Teilchen nennen. Neutrinos, die wie Gespenster durch die meisten Materie gehen, sind extrem schwer zu erkennen. Tatsächlich passieren laut NASA jede Sekunde Billionen von Neutrinos, die aus dem feurigen Kernofen unserer Sonne stammen, unseren Körper.
Das CUORE-Experiment sucht nach der Signatur von Majorana-Neutrinos, die sich gegenseitig in einem Prozess vernichten, der als neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall bezeichnet wird. Beim gewöhnlichen Doppel-Beta-Zerfall verwandeln sich zwei Neutronen im Atomkern gleichzeitig in zwei Protonen und emittieren ein Paar Elektronen und Antineutrinos. Obwohl dieses nukleare Ereignis äußerst selten ist und nur einmal alle 100 Billionen Jahre (10 ^ 20) für ein einzelnes Atom auftritt, wurde es im wirklichen Leben beobachtet.
Wenn die Forscher jedoch korrekt sind und Neutrinos echte Majorana-Partikel sind (sie sind ihre eigenen Antiteilchen), könnten sich die beiden während des Zerfalls erzeugten Antineutrinos gegenseitig vernichten und einen neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall erzeugen. Das Ergebnis? Nur Elektronen, die "gewöhnliche Materie" sind. Wenn sich dieser Prozess als wahr erweist, kann er dafür verantwortlich sein, das frühe Universum mit gewöhnlicher Materie zu besäen. Diesen Prozess zu beobachten ist jedoch eine andere Geschichte. Wissenschaftler schätzen, dass der neutrinolose Doppel-Beta-Zerfall (falls überhaupt vorhanden) nur einmal alle 10 Septillionen Jahre stattfinden kann (10 ^ 25).
"Der neutrinolose Modus ist derjenige, den wir wirklich sehen wollen. Er würde gegen die Regeln verstoßen und Materie ohne Antimaterie erzeugen", sagte O'Donnell, der Mitglied der CUORE-Zusammenarbeit ist. "Es wäre der erste Hinweis auf eine echte Lösung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie."
Der CUORE-Detektor sucht nach der Energiesignatur in Form von Wärme aus den Elektronen, die beim radioaktiven Zerfall von Telluratomen entstehen. Ein neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall würde einen einzigartigen und unterscheidbaren Peak im Energiespektrum der Elektronen hinterlassen.
"CUORE ist im Wesentlichen eines der empfindlichsten Thermometer der Welt", sagte Carlo Bucci, technischer Koordinator für die CUORE-Zusammenarbeit, in einer Erklärung.
Das über ein Jahrzehnt zusammengebaute CUORE-Instrument ist der kälteste Kubikmeter im bekannten Universum. Es besteht aus 988 würfelförmigen Kristallen aus Tellurdioxid, die auf 10 Millikelvin oder minus 273 Grad Celsius abgekühlt sind. Nur ein Haar über der kältesten Temperatur, die die Physik zulässt. Um das Experiment vor Störungen durch äußere Partikel wie kosmische Strahlung zu schützen, ist der Detektor von einer dicken Schicht hochreinen Bleis umgeben, das aus einem 2000 Jahre alten römischen Schiffswrack gewonnen wurde.
Trotz der technologischen Errungenschaften des Teams hat es sich als keine leichte Aufgabe erwiesen, das neutrinolose Ereignis zu finden. Die Forscher haben die gesammelten Daten seit ihren ersten Ergebnissen im Jahr 2017 mehr als vervierfacht. Dies ist der größte Datensatz, der jemals von einem Partikeldetektor dieser Art gesammelt wurde. Ihre neuesten Ergebnisse, die in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurden, zeigen, dass sie keine Hinweise auf einen neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall gefunden haben.
Die Zusammenarbeit ist weiterhin entschlossen, dieses schwer fassbare Doppelwirkstoffpartikel aufzuspüren. Ihre Ergebnisse haben die erwartete Masse eines Majorana-Neutrinos, von dem sie glauben, dass es mindestens 5 Millionen Mal leichter als ein Elektron ist, enger gebunden. Das Team plant, CUORE nach seinem ersten Fünfjahreslauf zu aktualisieren und einen neuen Kristalltyp einzuführen, von dem sie hoffen, dass er seine Empfindlichkeit erheblich verbessert.
"Wenn die Geschichte ein guter Prädiktor für die Zukunft ist, können wir ziemlich sicher sein, dass wir durch die Erweiterung der Detektortechnologie Neutrinos mit immer größerer Tiefe untersuchen können", sagte O'Donnell. "Hoffentlich entdecken wir den neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall oder vielleicht etwas Exotischeres und Unerwartetes."
