Medžiaga apie antimedžiagą: dalelė, sėdinti ant dviejų kėdžių

Jei būtumėte laukę nuo visatos gimimo, neturėtumėte vilties tai išvysti. Luktelėkit dar trilijoną trilijonų metų, kai visos žvaigždės jau bus išsikvėpusios ir ryškės kosmoso šiluminė mirtis, ir vis vien dar nebūtumėte arti. Tiesą sakant, jei tikėsime fizikos dėsniais, paieškoms galime tuščiai praIeisti visą amžinybę.

Tokie menki šansai, tačiau, fizikų neatgraso. Visoje planetoje tūkstančiai jų ieško rečiausio gamtinio proceso: radioaktyviojo skilimo, kuris, jei bus užregistruotas, galėtų atskleisti paslaptį, kodėl visatoje iš vis kažkas yra.

Radioaktyvusis skilimas yra gamtinė alchemija. Jis gali paversti kai kuriuos sunkesniuosius elementus į lengvesnius, tačiau vyksta savo grafiku – kai kuri elementai gyvuoja vos minutes, tuo tarpu kiti – tūkstantmečius. Šie radioaktyvūs procesai gyvybiškai svarbūs pačiam mūsų egzistavimui, nes įvairūs beta skilimai padeda Saulei teikti energiją. Plačiausiai žinomas beta skilimas neutroną atomo branduolyje paverčia protonu, išmesdamas elektroną ir antineutriną – neutrino antimateriškąjį atitikmenį.

1935 metais, fizikai spėjo kad kai kuriuose branduoliuose gali vykti du tokie beta skilimai iš karto. Šios rečiausios žinomos branduolinio skilimo formos įvykio tikimybė atskirai paimtame branduolyje yra vienas įvykis per 10¹⁹ – 10²⁴ metų. Tačiau jei stebėsime ne vieną, o daug atomų, šio įvykio užregistravimo tikimybė išauga, ir jau yra užfiksuotas 11 skirtingų sunkiųjų elementų branduolių.

Tačiau netgi tokių skilimų retumas neturi bendro su tuo, ko ieško mokslininkai. Vykstant beneutrininiam dvigubam beta skilimui, du neutronai transformuojasi į du protonus ir du elektronus – o antineutrinų iš viso nesukuriama (žr. pav.):

Kad toks dingimo triukas pavyktų, turi įvyktai kai kas nuostabaus. Susidarę du antineutrinai iš esmės turi vienas kitą panaikinti, panašiai, kaip kad dalelei susidūrus su savo antidalele, jos abi anihiliuoja. Tačiau jeigu šios dvi identiškos dalelės viena kitą neutralizuoja, tai neutrinai ir jų antidalelės turi būti vienas ir tas pats – jos turi būti materija ir antimaterija tuo pačiu metu. Kalbant apie fundamentalias materijos daleles, „daugiau jokioms dalelėms toks teiginys netinka“, sako Steve'as Biller'is iš Oxfordo universiteto.

Tai nebūtų pirmas kartas, kai neutrinai sugriovė nusistovėjusias teorijas. Nors pirmą kartą jie užfiksuoti 1956 metais, dar daug ko apie juos nežinome. Dalis problemos yra tai, kad jie ir patys nelabai domisi visata – kiekvieną sekundę per mus skrieja milijardai šių dalelių iš saulės, ir jie taip pat sėkmingai nesugerti perskrietų šviesmečio storio švino sluoksnį. Negi toks, regis, paprastas klausimas, ar neutrinai turi masę (taip, turi) buvo išspręstas tik šio tūkstantmečio pradžioje, ir šis rezultatas buvo toks reikšmingas kad laimėjo pernai metų Nobelio premiją. Bet vis dar nežinome, kodėl jų masė tokia maža – arba, kodėl jie būna trijų „skonių“.

Materija vs antimaterija

1937 metais italų fizikas Ettore Majorana iškėlė mintį, kad masę turintys neutrinai turėtų pasižymėti intriguojančia savybe. Kaip vienintelė fundamentali krūvio neturinti materijos dalelė, teoriškai ji galėtų būti savo pačios antidalelė – nauja „Majoranos neutrinų“ rūšis, kurioje neegzistuoja skirtumo tarp medžiagos ir antimedžiagos. Taip neutrinai galėjo sąveikauti su procesais, kuriančiais po lygiai materijos ir antimaterijos, bei taip iškreipti simetriją. Tai savo ruožtu galėtų paaiškinti, kaip šiek tiek materijos pirmaisiais visatos momentais sugebėjo išvengti anihiliacijos – ir iš jų susidarė žvaigždės. planetos ir mes.

„Pats mūsų egzistavimas gali būti susijęs su neutrino mase ir beneutrinininiu dvigubu beta skilimu,“ sako Wernerid Rodejohannas Maxo Plancko Branduolinės fizikos instituto Heidelberge, Vokietijoje. Tokio skilimo aptikimas būtų svarbus pasiekimas, sako jis, ir kažkuria prasme netgi fundamentalesnis už ilgai lauktą Higso bozono aptikimą. Tas atradimas patvirtino ilgai gyvuojantį teorinį modelį. O šis parodytų, kad dabartinės fizikos teorijos yra nebaigtos, ir pateiktų užuominų, kur link reikėtų ieškoti tęsinio.

„Daugeliu aspektų neutrinai atrodo neįprasti, tad galime rasti kažką keisto”

Bėda tik, kad per daugiau nei 50 paieškos metų, stebėtas vos vienas numanomas beneutrininis dvigubas beta skilimas. Apie jį 2001 metais paskelbė Gran Sasso laboratorija Italijoje. Jis tapo žinomas Klapdor-Kleingrothaus skilimu pagal Hansą Klapdor-Kleingrothausą, Heidelbergo universiteto mokslininką, gynusį jo patikimumą ilgiau nei dešimtmetį. Dauguma fizikų liko neįtikinti, bet šis rezultatas visus viliojo, besidominčius šio skilimu. „Mums visiems magėtų pažaisti su nauja fizika, bet jei būtumėte lošėjas, jus turėtų būti perspėję, kad tai menkai tikėtina,“ sako Billeris.

Siekis patvirtinti ar atmesti Klapdor-Kleingrothauso skilimą sukėlė aktyvumo pliūpsnį šioje srityje, ir įkvėpė pradėti tris eksperimentus, Gran Sasso, New Mexico ir Japonijoje. Per pastaruosius porą metų jie atmetė šį įvykį. Po ilgo laiko šios srities tyrėjai pagaliau gali nustoti šį teiginį naudoti savo tolesnių tikslų nustatymui, sako Steve'as Elliottas iš Los Alamos Nacionalinės laboratorijos New Mexico'e.

Šie dideli eksperimentai taip pat patikslino skilimo periodą, pastumdami trumpiausią laiką, kiek reikėtų laukti, kol atskiras branduolys suirtų beneutrinininiu dvigubu beta skilimu, prie 10²⁵ metų ribos.

Bet viltis dar neprarasta. Dabar veikia bent aštuoni eksperimentai, kuriais siekiama užfiksuoti procesą, ir šių detektorių dydžio ir jautrumo gali tam pakakti. Jų visų veikimas panašus: sukaupiama kuo daugiau itin gryno izotopo po žeme, kur jis apsaugomas nuo bombardavimo kosminėmis dalelėmis, galinčiomis užgožti įvykį. O tada laukiama. Remiantis didelių skaičių dėsniu, skilimas galiausiai turi įvykti.