Berbagai radioaktivitas yang sebelumnya tidak diamati dapat menjelaskan mengapa materi ada - termasuk manusia. Sebuah tim fisikawan meluncurkan percobaan untuk mencari fenomena yang tidak biasa
Ketika alam semesta terbentuk sekitar 13,7 miliar tahun yang lalu, menurut teori modern, materi dan kerabatnya yang aneh, antimateri, akan muncul dalam jumlah yang sama selama Big Bang. Fisikawan tahu bahwa ketika dua entitas ini bersentuhan, mereka musnah. Tetapi dalam hal ini, tidak akan ada apa pun di luar angkasa kecuali foton dan neutrino. Namun, kita ada. Perhitungan menunjukkan bahwa ada sedikit lebih banyak masalah daripada antimateri - tetapi mengapa?
Salah satu cara untuk menjelaskan asimetri ini adalah dengan mencari perbedaan antara kedua jenis materi, dengan pengecualian muatan yang dapat menjelaskan keunggulan materi biasa. Dalam fisika modern, ini adalah pertanyaan yang sangat besar, karena menurut teori modern, mereka harus berperilaku dengan cara yang sama.
Neutrino aneh
Dalam studi tersebut, fisikawan berusaha mencapai
peluruhan beta ganda tanpa neutrinoless . Biasanya, dalam peluruhan beta, inti atom radioaktif yang tidak stabil kehilangan neutron. Neutron berubah menjadi proton, memancarkan elektron dan partikel kecil, antineutrino elektronik. Ada juga situasi cermin di mana proton berubah menjadi neutron, memancarkan positron dan elektron neutrino - kembaran dari antineutrino. Peluruhan beta ganda terjadi ketika dua elektron dan dua antineutrino dipancarkan: pada kenyataannya, peluruhan beta terjadi dua kali. Para ilmuwan telah lama membangun teori tentang versi bebas neutrino dari proses ini - di dalamnya neutrino dimusnahkan sebelum meninggalkan atom. Dalam hal ini, neutrino berperilaku sebagai anti partikelnya sendiri.
Partikel-partikel yang berperilaku seperti antipartikel mereka sendiri disebut fermion Majorana - untuk menghormati fisikawan Italia Ettor Majorana, yang membuat hipotesis tentang hal ini pada tahun 1937.
Jika neutrino dan antineutrino berperilaku berbeda, ini dapat membantu menjelaskan mengapa, pada saat pembentukan alam semesta, semua materi tidak memusnahkan.
Pencarian pembusukan
Tetapi kejadian seperti itu sulit untuk dideteksi karena terhalang oleh “kebisingan latar belakang” yang kuat, kata Bernhard Schwingenheuer, juru bicara Germanium Sensor
Array ,
GERmanium Detector Array , atau GERDA. Penyebab kebisingan adalah sinar kosmik.
Fasilitas GERDA, bersembunyi di laboratorium bawah tanah di Italia, terdiri dari sensor yang terkandung dalam bak mandi dengan argon cair yang diperkaya dengan isotop germanium-76 yang cukup radioaktif. Paruhnya adalah 1,78 x 10
21 (1,78 miliar triliun tahun) - butuh waktu lama bagi setengah dari atomnya untuk berubah menjadi selenium. Kali ini beberapa urutan besarnya lebih lama dari keberadaan alam semesta.
Biasanya, germanium selama peluruhan lambatnya memancarkan dua elektron dan dua elektron antineutrino, yang merupakan peluruhan beta ganda biasa. Fisikawan ingin tahu apakah pembusukan seperti itu terjadi tanpa neutrino.
Dengan waktu paruh yang begitu panjang, orang akan berpikir bahwa akan terlalu lama untuk mengharapkan kejadian seperti itu; tetapi waktu paruh adalah fenomena probabilistik. Itulah mengapa penelitian ini menggunakan sekitar 38 kg germanium yang dicampur dengan argon cair. Ini menghasilkan sekitar 4,5 x 10
25 atom, yang berarti bahwa beberapa atom harus membusuk langsung selama pengamatan.
Tim GERDA mengumpulkan data selama tujuh bulan, dari Desember 2015 hingga Juni 2016. Mereka tidak mendeteksi pembusukan, tetapi mampu menetapkan batas bawah untuk frekuensi terjadinya: waktu paruh adalah 5,3 x 10
25 tahun, yang berarti bahwa kesempatan untuk melihat pembusukan satu. atom selama ini sama dengan 50%.
Memperluas Model Standar
Jika peluruhan terdeteksi, ini berarti bahwa neutrino adalah antipartikel untuk diri mereka sendiri, seperti foton. Kalau tidak, pembusukan bebas-neutrino tidak dapat terjadi. Ini juga berarti bahwa peluruhan radioaktif tersebut asimetris. Ingat bahwa peluruhan beta memiliki versi cermin - elektron dan antineutrino, atau positron dan neutrino, dipancarkan. Jika peluruhan beta ganda adalah asimetris, itu berarti bahwa neutrino dan antineutrino berperilaku berbeda. Untuk pasangan partikel / antipartikel lainnya tidak demikian.
Fenomena ini akan mempengaruhi Model Standar, yang, meskipun sangat berhasil menjelaskan fisika partikel, tidak lengkap. Model meramalkan keberadaan boson Higgs. Tetapi Schwingenhöyer mencatat bahwa ada bukti bahwa neutrino memiliki massa kecil (hanya ditemukan pada tahun 1998, yang menerima Hadiah Nobel pada tahun 2015), serta tanda-tanda keberadaan materi gelap. Semua ini menunjukkan bahwa Model Standar belum menjadi kata terakhir dari sains.
"Jika pembusukan ganda beta tanpa neutrino terdeteksi, kita dapat memecahkan beberapa masalah," kata Philip Barbeau, asisten profesor fisika di Duke University. "Pertama, itu akan membantu menjelaskan asimetri materi-antimateri di Semesta. Kedua, akan membantu untuk memahami mengapa neutrino memiliki massa yang sangat kecil. Kami juga akan dapat memperkirakan massa neutrino, karena laju peluruhan terkait dengan skala massa neutrino. ”
Dan kemudian tetap memahami fisika proses. Proyek GERDA belum menunjukkan kerusakan yang diinginkan, tetapi ini tidak berarti bahwa ia tidak akan menemukannya, seperti kata Schwingenhöyer. Tidak akan mungkin untuk sepenuhnya menghilangkan kemungkinan proses seperti itu, karena akan selalu ada kemungkinan bahwa waktu yang diperlukan untuk penampilannya hanya lebih lama dari yang diperkirakan. Sampai saat ini, mereka telah menetapkan batas yang lebih rendah untuk paruh, tetapi percobaan di masa depan dapat meningkatkan nilai ini.
Jika, setelah berkali-kali berjalan, mereka masih tidak melihat pembusukan, maka Barbot percaya bahwa ini tidak mungkin membuka jalan bagi model-model ilmiah baru. “Dari sudut pandang teori-teori yang mendasarinya, kami tidak kembali ke perhitungan. Kami tidak akan tahu apakah neutrino adalah fermion Majorana. "