Verdens langsomste måling skal afsløre universets fødsel

Big bang skabte lige meget stof og antistof, som burde have udslettet ­hinanden. Alligevel blev universet skabt. Nu skal en fem år lang måling lede efter et uhyre sjældent henfald af atomer, som kan afsløre, hvordan det gik til.

Big bang skabte lige meget stof og antistof, som burde have udslettet ­hinanden. Alligevel blev universet skabt. Nu skal en fem år lang måling lede efter et uhyre sjældent henfald af atomer, som kan afsløre, hvordan det gik til.

Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Først var der ingenting, og så pludselig opstod alt: dimensioner, tid, naturlove og det stof, der senere blev til stjerner, planeter og liv.

Sådan lyder universets skabelsesberetning ifølge den mest accepterede teori, big bang-teorien. Men flere forhold omkring universets fødsel er stadig omgærdet med mystik.

Et af de største ubesvarede spørgsmål er, hvorfor der overhovedet eksisterer stof. Ifølge fysikernes modeller var big bang symmetrisk, hvilket vil sige, at der blev dannet lige meget almindeligt stof og modsætningen antistof.

Når stof og antistof mødes, udsletter de hinanden og forvandles til stråling. Derfor burde big bang være endt med, at det nydannede univers blev fyldt med stråling.

Men sådan gik det som bekendt ikke. I stedet blev universet fyldt med små bestanddele, som skal til for at bygge de partikler, vi kender i dag.

Nu kan et hold fysikere måske snart finde svaret på hvorfor. Under bjerget Gran Sasso i Appenninerne midt i Italien har de bygget detektoren Cuore, der skal undersøge den eneste partikel, som muligvis stadig bærer på hemmeligheden om, hvorfor big bang ikke endte som en fuser: neutrinoen.

Verdens koldeste detektor skal afsløre sjældent henfald

/ 4

Henfald lader vente på sig

Detektoren har 988 terninger, som indeholder 34 procent af den dobbeltbetaradioaktive tellur-isotop 130Te. Den er så lidt radioaktiv, at ét atom kun henfalder én gang på 10^24 år. I detektoren vil der ske ét henfald pr. år, hvilket gør forsøget til verdens langsomste. Nogle af henfaldene kan være af den type, forskerne leder efter.

1

Terninger måler varme

Terningerne har en såkaldt termistor af germanium, hvis elektriske ledningsevne ændres i takt med temperaturen. Det gør stoffet til et følsomt termometer, der kan registrere små ændringer, som afslører det henfald, forskerne leder efter. Termistorerne er koblet til den centrale computer og sender data 100 gange pr. sek.

2

Køling skaber klodens koldeste kubikmeter

Detektoren er kølet ned med såkaldt fortyndingskøling, der udnytter stadier, som to af heliums isotoper optræder i lige over det absolutte nulpunkt. På den måde køles forsøget ned til 0,007 grader over det absolutte nulpunkt. Det gør Cuore til universets koldeste m3.

3

Romersk bly standser fremmed stråling

For at undgå indtrængende partikler har detektoren en kappe af bly. En del kommer fra blybarrer fundet i romerske skibe i Middelhavet. Næsten alt det radioaktive bly er henfaldet efter de mange år på havbunden, så blyet ikke forstyrrer målingen.

4
© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Partikel opstod som lappeløsning

Neutrinoens eksistens blev første gang forudsagt i 1930 af fysikeren Wolfgang Pauli. Han fandt på den lille partikel i desperation over ikke at kunne få regnestykket over energien ved såkaldt betahenfald til at gå op.

Han vidste, at når et radioaktivt stof gennemgår betahenfald, omdannes en neutron i atomkernen til en proton, der forbliver i kernen, samt en elektron, der udsendes.

Men Wolfgang Paulis eksperimenter viste, at den udsendte elektron havde mindre energi end masseforskellen mellem neutronen og protonen.

Han indførte derfor en ny lille partikel, der kunne bære den manglende energi – neutrinoen var født.

Wolfgang Pauli kunne dog ikke bevise sin nye teori. Først i 1956 lykkedes det for de to amerikanske fysikere Frederick Reines og Clyde Cowan at påvise eksistensen af neutrinoer.

Forskerne udførte deres forsøg tæt på en kernereaktor, som de vidste burde udsende overvældende mængder af de små partikler. Her ledte de efter to gammastråler, som bliver udsendt, når en neutrino kolliderer med en proton.

Sammenstødet skaber en neutron og en positron, der øjeblikkeligt destrueres og omdannes til strålingen, fordi den er en antipartikel.

Detektor leder efter ét bestemt henfald

Forskere vil bruge detektoren Cuore til at ­afsløre en helt særlig form for radio­aktivt henfald – såkaldt neutrinoløst dobbeltbetahenfald. Hvis henfaldet opstår, er det bevis for, at neutrinoen er sin egen antipartikel.

Og er den lille partikel det, har forskerne samtidig forklaret, hvorfor universet er fyldt med stof og ikke kun stråling fra stof og antistof, der destruerer hinanden. Hvis neutrinoen er sin egen antipartikel, kan andre partikler nemlig også være det, fx de tunge og energirige partikler, som opstod i det tidlige univers. I så fald kunne partiklerne henfalde til mere stof end antistof.

Neutrinoer holder sig for sig selv

Siden Frederick Reines’ og Clyde Cowans forsøg er der eksperimenteret meget med neutrinoer, men de er fortsat dårligt videnskabeligt beskrevet, fordi de er så ekstremt svære at måle på.

Selvom forskernes måleudstyr ved kernereaktoren blev ramt af 50 billioner neutrinoer pr. kvadratcentimeter hvert sekund, skete en kollision mellem en neutrino og en neutron kun tre gange i timen.

Det skyldes, at partiklerne kun vekselvirker med andre partikler gennem tyngdekraften, som er forsvindende lille, og den svage kernekraft.

Den svage kernekraft aftager så hurtigt med afstanden, at den nærmest kun er interessant inde i en atomkerne og i de allernærmeste omgivelser.

I Gran Sasso National-laboratoriet i Italien har forskere bygget detektoren Cuore, der skal udføre verdens langsomste måling.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Det betyder, at sandsynligheden for, at en neutrino påvirker en anden partikel, er forsvindende lille.

Fx passerer stort set alle de neutrinoer, som Solen konstant udsender – omkring 1038 neutrinoer pr. sekund – fuldstændig uhindret igennem Jorden med en hastighed nær lysets, og titusinder af dem passerer hvert sekund gennem din krop, uden at du lægger mærke til det.

Derfor kaldes neutrinoen også spøgelsespartiklen.

Forskerne ved dog, at neutrinoer er nogle af de hyppigst forekommende partikler i universet. De har ingen ladning og findes i minimum tre forskellige udgaver. Mindst én af dem har en masse, som dog er flere millioner gange mindre end elektronens.

10^24 er i gennemsnit det antal år, der går, før et atom af isotopen 130Te henfalder.

Dobbeltrolle kan løse gåden

Fysikerne taler også om, at der må findes både neutrinoer og antineutrinoer som to forskellige partikler. Alle de partikler, fysikerne kender til i dag, har en kendt, særskilt antipartikel – bortset fra neutrinoen.

Derfor har fysikerne nu en voksende mistanke om, at neutrinoen måske kan være sin egen antipartikel – og er den det, kan den lille partikel løse mysteriet om, hvordan et univers af stof kunne blive født ved big bang.

Forskernes teori er, at tunge såkaldte hermafrodit-partikler, der er partikel og antipartikel i ét, blev skabt umiddelbart efter big bang. På grund af deres dobbelthed kunne de henfalde til langt mere stof end antistof og dermed skabe universet.

I dag vil sådanne partikler for længst være forsvundet – de kunne kun eksistere i det meget tidlige og energirige univers. Men hvis neutrinoen viser sig at være sin egen antipartikel, ved forskerne, at de tidlige, tunge partikler også kunne være begge dele.

Nul neutrinoer er nøglen

Detektoren Cuore skal netop forsøge at afsløre neutrinoens dobbeltrolle som sin egen antipartikel. Cuore står for “Cryogenic Underground Observatory for Rare Events” eller på dansk “underjordisk lavtemperatur-observatorium for sjældne hændelser”.

I Gran Sasso National-laboratoriet i Italien har forskere bygget detektoren Cuore, der skal udføre verdens langsomste måling.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

De sjældne hændelser er en særlig type henfald af den radioaktive isotop af grundstoffet tellur, som hedder 130Te. I høj koncentration er stoffet betaradioaktivt, men på en anden måde end det betahenfald, som Wolfgang Pauli undersøgte.

I stedet for, at en neutron henfalder til en proton, en elektron og en neutrino, henfalder to neutroner i 130Te samtidig til to protoner, to elektroner og to neutrinoer ved såkaldt dobbeltbetahenfald.

Hvis neutrinoen er sin egen antipartikel, vil der indimellem forekomme et helt særligt neutrinoløst dobbeltbetahenfald, hvor de to neutrinoer neutraliserer hinanden, i det øjeblik de opstår.

Dermed må de elektroner, der udsendes ved henfaldet, alene bære den energi, der svarer til masseforskellen mellem de to neutroner og de to protoner.

Varme afslører henfald

Og det er præcis den energi, som Cuore kigger efter.

I første omgang kørte Cuore i to måneder i 2017 for at fastslå halveringstiden for 130Te, så forskerne ved, hvor mange neutrinoløse henfald de kan forvente fra mængden i detektoren.

Resultatet viser, at de højst kan finde ét om året eller fem på de fem år, eksperimentet er i gang, hvilket gør eksperimentet til verdens langsomste forsøg.

Men det er værd at vente på, for fanger Cuore det sjældne henfald, har den samtidig afsløret, hvordan hele universet kunne blive til.