Tief unter einem Berg in Italien, im kältesten Kubikmeter des bekannten Universums, suchen Wissenschaftler nach Beweisen dafür, dass gespenstische Teilchen, sogenannte Neutrinos, als ihre eigenen Antimateriepartner fungieren. Was diese Forscher finden, könnte das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum erklären.
Bisher sind sie mit leeren Händen aufgetaucht.
Die neuesten Ergebnisse aus den ersten zwei Monaten des CUORE-Experiments (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) in Gran Sasso, Italien, zeigen keinen Hinweis auf einen Prozess, der beweist, dass Neutrinos, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden, ihre eigenen Antimateriepartner sind. Das heißt, wenn der Prozess stattfindet, geschieht er so selten, dass er ungefähr alle 10 Septillionen (10 ^ 25) Jahre stattfindet.
Das ultimative Ziel dieses Experiments ist es, eines der beständigsten Rätsel des Universums zu lösen, und eines, das darauf hindeutet, dass wir nicht einmal hier sein sollten. Dieses Rätsel existiert, weil der theoretische Urknall - in dem eine winzige Singularität über 13,8 Milliarden Jahre aufgeblasen haben soll, um das Universum zu formen - zu einem Universum mit 50 Prozent Materie und 50 Prozent Antimaterie hätte führen sollen.
Wenn sich Materie und Antimaterie treffen, vernichten sie sich und machen sich gegenseitig nicht mehr existent.
Aber das sehen wir heute nicht. Stattdessen ist unser Universum größtenteils Materie, und Wissenschaftler bemühen sich herauszufinden, was mit all der Antimaterie passiert ist.
Hier kommen Neutrinos ins Spiel.
Was sind Neutrinos?
Neutrinos sind winzige Elementarteilchen mit praktisch keiner Masse. Jedes ist kleiner als ein Atom, aber es sind einige der am häufigsten vorkommenden Teilchen in der Natur. Wie Geister können sie durch Menschen und Mauern gehen, ohne dass es jemand (auch die Neutrinos) bemerkt.
Die meisten Elementarteilchen haben ein seltsames Antimaterie-Gegenstück, das als Antiteilchen bezeichnet wird und die gleiche Masse wie sein Partner für normale Materie hat, jedoch die entgegengesetzte Ladung. Aber Neutrinos sind für sich genommen etwas seltsam, da sie kaum Masse haben und ohne Ladung sind. Physiker haben also vermutet, dass sie ihre eigenen Antiteilchen sein könnten.
Wenn ein Partikel als eigenes Antiteilchen fungiert, wird es als Majorana-Partikel bezeichnet.
"Die Theorien, die wir derzeit haben, sagen uns einfach nicht, ob Neutrinos von diesem Majorana-Typ sind oder nicht. Und es ist sehr interessant zu suchen, weil wir bereits wissen, dass uns etwas an den Neutrinos fehlt", so die theoretische Physikerin Sabine Hossenfelder, Fellow am Frankfurter Institut für fortgeschrittene Studien in Deutschland, sagte gegenüber Live Science. Hossenfelder, der nicht zu CUORE gehört, bezieht sich auf die bizarren ungeklärten Merkmale von Neutrinos.
Wenn Neutrinos Majoranas sind, können sie zwischen Materie und Antimaterie wechseln. Wenn sich die meisten Neutrinos zu Beginn des Universums in gewöhnliche Materie verwandeln würden, könnte dies erklären, warum Materie heute die Antimaterie überwiegt - und warum wir existieren.
Das CUORE-Experiment
Das Studium von Neutrinos in einem typischen Labor ist schwierig, da sie selten mit anderen Stoffen interagieren und äußerst schwer zu erkennen sind - Milliarden passieren Sie jede Minute unentdeckt. Es ist auch schwer, sie von anderen Strahlungsquellen zu unterscheiden. Aus diesem Grund mussten Physiker in den Untergrund gehen - fast 1,6 Kilometer unter der Erdoberfläche -, wo eine riesige Stahlkugel einen Neutrino-Detektor umhüllt, der vom Gran Sasso National Laboratory des italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik betrieben wird.
Dieses Labor ist die Heimat des CUORE-Experiments, bei dem nach Hinweisen auf einen Prozess gesucht wird, der als neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall bezeichnet wird - eine andere Art zu sagen, Neutrinos wirken als ihre eigenen Antiteilchen. Bei einem normalen Doppel-Beta-Zerfallsprozess zerfällt ein Kern und emittiert zwei Elektronen und zwei Antineutrinos. Ein neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall würde jedoch keine Antineutrinos emittieren, da diese Antineutrinos als ihre eigenen Antiteilchen dienen könnten und sich gegenseitig vernichten würden.
Bei ihrem Versuch, diesen Prozess zu "sehen", beobachteten die Physiker die Energie (in Form von Wärme), die während des radioaktiven Zerfalls eines Tellurisotops emittiert wurde. Wenn ein neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall auftreten würde, würde es bei einem bestimmten Energieniveau einen Peak geben.
Um diese Wärmeenergie genau zu erfassen und zu messen, stellten die Forscher den kältesten Kubikmeter im bekannten Universum her. Sie vergleichen es mit einem riesigen Thermometer mit fast 1.000 Tellurdioxidkristallen (TeO2), die bei 10 Millikelvin (mK) arbeiten, was minus 273,14 Grad Celsius entspricht.
Während die radioaktiven Telluratome zerfallen, suchen diese Detektoren nach diesem Energiepeak.
"Die Beobachtung, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, wäre eine bedeutende Entdeckung und erfordert, dass wir das allgemein akzeptierte Standardmodell der Teilchenphysik umschreiben. Es würde uns sagen, dass es einen neuen und anderen Mechanismus für Materie gibt, um Masse zu haben", so der Studienforscher Karsten Heeger, Professor an der Yale University, sagte gegenüber Live Science.
Und selbst wenn CUORE nicht definitiv nachweisen kann, dass das Neutrino ein eigenes Antiteilchen ist, kann die in der Studie verwendete Technologie andere Verwendungszwecke haben, sagte Lindley Winslow, Assistenzprofessorin für Physik am Massachusetts Institute of Technology und Teil des CUORE-Teams.
"Die Technologie, die CUORE auf 10 mK abkühlt, ist dieselbe, mit der supraleitende Schaltkreise für Quantencomputer gekühlt werden. Die nächste Generation von Quantencomputern kann in einem Kryostaten im CUORE-Stil leben. Sie können uns als Early Adopters bezeichnen", sagte Winslow gegenüber Live Wissenschaft.
