Die Suche nach den Gründen für unsere Existenz hat sich zu einer Untersuchung des seltsamen atomaren Zerfalls entwickelt

Eine Vielzahl von bisher nicht beobachteten Radioaktivitäten kann erklären, warum Materie existiert - einschließlich Menschen. Ein Team von Physikern startet ein Experiment, um nach einem ungewöhnlichen Phänomen zu suchen

Als sich das Universum vor etwa 13,7 Milliarden Jahren nach modernen Theorien bildete, sollten Materie und ihr seltsamer Verwandter, die Antimaterie, während des Urknalls in gleichen Mengen auftreten. Physiker wissen, dass diese beiden Wesenheiten vernichten, wenn sie in Kontakt kommen. Aber in diesem Fall gäbe es im Weltraum nichts außer Photonen und Neutrinos. Und doch existieren wir. Berechnungen zeigen, dass es etwas mehr Materie als Antimaterie gab - aber warum?

Eine Möglichkeit, diese Asymmetrie zu erklären, besteht darin, nach dem Unterschied zwischen den beiden Arten von Materie zu suchen, mit Ausnahme einer Ladung, die den Vorteil gewöhnlicher Materie erklären kann. In der modernen Physik ist dies eine sehr große Frage, da sie sich nach modernen Theorien genauso verhalten sollten.

Seltsames Neutrino

In der Studie versuchen Physiker, einen neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall zu erreichen. Normalerweise verliert der instabile Kern eines radioaktiven Atoms beim Beta-Zerfall ein Neutron. Ein Neutron verwandelt sich in ein Proton, das ein Elektron und ein kleines Teilchen, ein elektronisches Antineutrino, emittiert. Es gibt auch eine Spiegelsituation, in der sich ein Proton in ein Neutron verwandelt und ein Positron und ein Elektronenneutrino emittiert - den Zwilling des Antineutrinos. Doppelter Beta-Zerfall tritt auf, wenn zwei Elektronen und zwei Antineutrinos emittiert werden: Tatsächlich tritt der Beta-Zerfall zweimal auf. Wissenschaftler haben lange Theorien über die neutrino-freie Version dieses Prozesses aufgestellt - darin vernichten Neutrinos, bevor sie das Atom verlassen. In diesem Fall verhält sich das Neutrino wie ein eigenes Antiteilchen.

Teilchen, die sich wie ihre eigenen Antiteilchen verhalten, werden Majorana-Fermionen genannt - zu Ehren des italienischen Physikers Ettor Majorana, der 1937 eine Hypothese zu diesem Thema aufstellte.

Wenn sich Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich verhalten, kann dies erklären, warum zum Zeitpunkt der Bildung des Universums nicht alle Materie vernichtet wurde.

Die Suche nach Verfall

Ein solches Ereignis ist jedoch schwer zu erkennen, da es durch starke „Hintergrundgeräusche“ behindert wird, sagt Bernhard Schwingenheuer, Sprecher des Germanium Sensor Array , des GERmanium Detector Array oder der GERDA. Die Ursache von Lärm sind kosmische Strahlen.



Die GERDA-Anlage, die sich in einem unterirdischen Labor in Italien versteckt, besteht aus Sensoren, die in einem Bad mit flüssigem Argon enthalten sind, das mit einem mäßig radioaktiven Germanium-76-Isotop angereichert ist. Seine Halbwertszeit beträgt 1,78 x 10 ²¹ (1,78 Milliarden Billionen Jahre) - es dauert so lange, bis die Hälfte seiner Atome zu Selen wird. Diese Zeit ist mehrere Größenordnungen länger als die Existenz des Universums.

Normalerweise emittiert Germanium während seines langsamen Zerfalls zwei Elektronen und zwei Elektronen-Antineutrinos, was der übliche Doppel-Beta-Zerfall ist. Die Physiker wollten wissen, ob ein solcher Zerfall ohne Neutrinos auftritt.

Bei einer so langen Halbwertszeit würde man denken, dass es zu lange dauern würde, ein solches Ereignis zu erwarten. Die Halbwertszeit ist jedoch ein probabilistisches Phänomen. Aus diesem Grund werden in der Studie etwa 38 kg Germanium mit flüssigem Argon gemischt. Dies ergibt ungefähr 4,5 × 10 ²⁵ Atome, was bedeutet, dass mehrere Atome direkt während der Beobachtung zerfallen müssen.

Das GERDA-Team sammelte Daten für sieben Monate von Dezember 2015 bis Juni 2016. Sie konnten keinen Zerfall feststellen, konnten jedoch eine Untergrenze für die Häufigkeit des Auftretens festlegen: Die Halbwertszeit beträgt 5,3 x 10 ²⁵ Jahre, was bedeutet, dass die Chance besteht, den Zerfall eines solchen zu sehen Atom während dieser Zeit ist gleich 50%.

Erweiterung des Standardmodells

Wenn ein Zerfall festgestellt wird, bedeutet dies, dass Neutrinos wie Photonen Antiteilchen für sich sind. Andernfalls kann kein neutrinofreier Zerfall stattfinden. Dies bedeutet auch, dass ein solcher radioaktiver Zerfall asymmetrisch ist. Denken Sie daran, dass der Beta-Zerfall eine Spiegelversion hat - Elektronen und Antineutrinos oder Positronen und Neutrinos werden emittiert. Wenn der doppelte Beta-Zerfall asymmetrisch ist, bedeutet dies, dass sich Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich verhalten. Für andere Partikel- / Antiteilchenpaare ist dies nicht der Fall.

Dieses Phänomen wirkt sich auf das Standardmodell aus, das zwar die Teilchenphysik sehr erfolgreich erklärt, jedoch nicht vollständig ist. Das Modell sagte die Existenz des Higgs-Bosons voraus. Schwingenhöyer merkt jedoch an, dass es Hinweise darauf gibt, dass das Neutrino eine geringe Masse (erst 1998 entdeckt, für die 2015 der Nobelpreis verliehen wurde) sowie Anzeichen für das Vorhandensein dunkler Materie aufweist. All dies deutet darauf hin, dass das Standardmodell nicht das letzte Wort der Wissenschaft geworden ist.

"Wenn ein neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall festgestellt wird, können wir einige Probleme lösen", sagte Philip Barbeau, Assistenzprofessor für Physik an der Duke University. „Erstens wird es helfen, die Asymmetrie von Materie-Antimaterie im Universum zu erklären. Zweitens wird es helfen zu verstehen, warum Neutrinos eine so kleine Masse haben. Wir werden auch in der Lage sein, die Neutrino-Masse abzuschätzen, da die Zerfallsrate mit der Neutrino-Massenskala zusammenhängt. “

Und dann bleibt die Physik des Prozesses zu verstehen. Das GERDA-Projekt hat den gewünschten Zerfall noch nicht gezeigt, aber das bedeutet nicht, dass er ihn nicht finden wird, wie Schwingenhöyer sagt. Es wird nicht möglich sein, die Wahrscheinlichkeit eines solchen Prozesses vollständig auszuschließen, da immer die Möglichkeit bestehen bleibt, dass die für sein Auftreten erforderliche Zeit einfach länger ist als gedacht. Bisher haben sie eine Untergrenze für die Halbwertszeit festgelegt, aber zukünftige Experimente können diesen Wert erhöhen.

Wenn sie nach zahlreichen Läufen den Zerfall immer noch nicht sehen, ist Barbot der Ansicht, dass dies wahrscheinlich nicht den Weg für neue wissenschaftliche Modelle ebnen wird. „Aus Sicht der zugrunde liegenden Theorien kehren wir nicht zu den Berechnungen zurück. Wir werden einfach nicht wissen, ob Neutrinos Majorana-Fermionen sind. "