قد توضح مجموعة متنوعة من النشاط الإشعاعي لم تتم ملاحظته سابقًا سبب وجود المادة - بما في ذلك البشر. يبدأ فريق من الفيزيائيين تجربة للبحث عن ظاهرة غير عادية
عندما تشكل الكون قبل حوالي 13.7 مليار سنة ، وفقًا للنظريات الحديثة ، كانت المادة ونسبها الغريب ، المادة المضادة ، تظهر بكميات متساوية أثناء الانفجار العظيم. يعرف الفيزيائيون أنه عندما يتلامس هذان الكيانان ، فإنهما يهلكان. لكن في هذه الحالة ، لن يكون هناك شيء في الفضاء باستثناء الفوتونات والنيوترينوات. ومع ذلك ، نحن موجودون. تظهر الحسابات أن هناك مادة أكثر بقليل من المادة المضادة - ولكن لماذا؟
تتمثل إحدى طرق تفسير هذا التباين في البحث عن الفرق بين نوعي المادة ، باستثناء الرسوم التي يمكن أن تفسر ميزة المادة العادية. في الفيزياء الحديثة ، هذا سؤال كبير جدًا ، لأنه وفقًا للنظريات الحديثة ، يجب أن يتصرفوا بنفس الطريقة.
نيوترينو غريب
في الدراسة ، يحاول الفيزيائيون تحقيق
تحلل بيتا مزدوج نيوترينولس . عادة ، في اضمحلال بيتا ، تفقد النواة غير المستقرة للذرة المشعة نيوترون. يتحول النيوترون إلى بروتون ينبعث منه إلكترون وجسيم صغير ، وهو مضاد للنترينو الإلكتروني. هناك أيضًا حالة مرآة يتحول فيها البروتون إلى نيوترون ، ينبعث من بوزيترون ونيوترينو إلكترون - توأم antineutrino. يحدث اضمحلال بيتا المزدوج عندما ينبعث إلكترونان واثنان من مضادات النيوترونات: في الواقع ، يحدث اضمحلال بيتا مرتين. ظل العلماء منذ فترة طويلة يبنون نظريات حول النسخة الخالية من النيوترينو من هذه العملية - حيث يتم إبادة النيوترينوات قبل مغادرة الذرة. في هذه الحالة ، يتصرف النيوترينو كجسيم مضاد خاص به.
تسمى الجسيمات التي تتصرف مثل الجسيمات المضادة الخاصة بها Majorana fermions - تكريمًا للفيزيائي الإيطالي Ettor Majorana ، الذي وضع فرضية حول هذا الموضوع في عام 1937.
إذا تصرفت النيوترينوهات ومضادات النيوترينو بشكل مختلف ، فإن ذلك يمكن أن يساعد في تفسير سبب عدم إبادة جميع المواد وقت تشكيل الكون.
البحث عن الاضمحلال
ولكن من الصعب اكتشاف مثل هذا الحدث لأنه يعوقه "ضجيج الخلفية" القوي ، كما يقول برنهارد شوينغينهوير ، المتحدث باسم
صفيف الجرمانيوم ،
صفيف كشف الجرماني ، أو GERDA. سبب الضوضاء هو الأشعة الكونية.
يتكون مرفق GERDA ، المختبئ في مختبر تحت الأرض في إيطاليا ، من أجهزة استشعار موجودة في حوض الاستحمام مع الأرجون السائل المخصب بالنظير المشع المعتدل germanium-76. عمر النصف هو 1.78 × 10
21 (1.78 مليار تريليون سنة) - يستغرق نصف وقت طويل حتى تتحول نصف ذراته إلى السيلينيوم. هذه المرة عدة مرات من حيث الحجم أطول من وجود الكون.
عادة ، ينبعث الجرمانيوم أثناء اضمحلاله البطيء إلكترونين واثنين من مضادات النيوترينونات الإلكترونية ، وهو الانحلال الثنائي المعتاد بيتا. أراد الفيزيائيون معرفة ما إذا كان مثل هذا التسوس يحدث بدون النيوترينوات.
مع نصف عمر طويل كهذا ، قد يعتقد المرء أن الأمر سيستغرق وقتًا طويلاً جدًا لتوقع مثل هذا الحدث ؛ لكن نصف العمر ظاهرة احتمالية. هذا هو السبب في أن الدراسة تستخدم حوالي 38 كجم من الجرمانيوم الممزوج بالأرجون السائل. وهذا يعطي حوالي 4.5 × 10
25 ذرة ، مما يعني أن العديد من الذرات يجب أن تتحلل مباشرة أثناء الملاحظة.
قام فريق GERDA بجمع البيانات لمدة سبعة أشهر ، من ديسمبر 2015 إلى يونيو 2016. ولم يكتشفوا الاضمحلال ، لكنهم تمكنوا من وضع حد أدنى لتكرار حدوثه: عمر النصف هو 5.3 × 10
25 سنة ، مما يعني أن فرصة رؤية اضمحلال واحد ذرة خلال هذا الوقت تساوي 50 ٪.
توسيع النموذج القياسي
إذا تم الكشف عن الاضمحلال ، فهذا يعني أن النيوترينوات هي جسيمات مضادة لنفسها ، مثل الفوتونات. خلاف ذلك ، لا يمكن أن يحدث تسوس خال من النيوترينو. وهذا يعني أيضًا أن هذا الاضمحلال الإشعاعي غير متماثل. تذكر أن تحلل بيتا له نسخة مرآة - تنبعث الإلكترونات ومضادات النيوترينوات ، أو البوزيترونات والنيوترينوات. إذا كان تسوس بيتا المزدوج غير متماثل ، فهذا يعني أن النيوترينوات ومضادات النيوترينوهات تتصرف بشكل مختلف. بالنسبة للأزواج الأخرى من الجسيمات / الجسيمات المضادة ، فإن الأمر ليس كذلك.
ستؤثر هذه الظاهرة على النموذج القياسي ، والذي ، على الرغم من أنه يفسر بنجاح كبير فيزياء الجسيمات ، فهو غير كامل. تنبأ النموذج بوجود بوزون هيجز. لكن Schwingenhöyer يلاحظ أن هناك أدلة على أن النيوترينو لديه كتلة صغيرة (اكتشفت فقط في عام 1998 ، والتي تم استلام جائزة نوبل في عام 2015) ، بالإضافة إلى علامات على وجود مادة مظلمة. كل هذا يشير إلى أن النموذج القياسي لم يصبح الكلمة الأخيرة للعلم.
قال فيليب باربو ، أستاذ الفيزياء المساعد بجامعة ديوك: "إذا تم الكشف عن اضمحلال بيتا مزدوج للنيوترينولس ، فيمكننا حل مشكلتين". "أولاً ، سيساعد على تفسير عدم تناسق المادة المضادة للمادة في الكون. ثانيًا ، سيساعدنا على فهم سبب امتلاك النيوترينو لهذه الكتلة الصغيرة. سنكون قادرين أيضًا على تقدير كتلة النيوترينو ، لأن معدل الاضمحلال مرتبط بمقياس كتلة النيوترينو ".
ومن ثم يبقى فهم فيزياء العملية. لم يشر مشروع GERDA حتى الآن إلى الاضمحلال المطلوب ، ولكن هذا لا يعني أنه لن يعثر عليه ، كما يقول Schwingenhöyer. لن يكون من الممكن القضاء تمامًا على احتمالية مثل هذه العملية ، حيث سيظل هناك دائمًا احتمال أن يكون الوقت المطلوب لظهوره أطول ببساطة مما كان يعتقد. حتى الآن ، قاموا بتعيين حد أدنى لنصف العمر ، ولكن التجارب المستقبلية قد تزيد هذه القيمة.
إذا ، بعد عدة جولات ، لا يزالون لا يرون الانحطاط ، فإن باربو يعتقد أن هذا من غير المحتمل أن يفتح الطريق لنماذج علمية جديدة. "من وجهة نظر النظريات الأساسية ، نحن لا نعود إلى الحسابات. لن نعرف ببساطة ما إذا كانت النيوترينوات هي مايورانا فيرميون ".