Iskoldt eksperiment skal afsløre stoffets hemmelighed
Universets koldeste kubikmeter skal findes i en grotte under et italiensk bjerg. Her vil små temperaturudsving røbe, om vi kan takke de uanseelige elementarpartikler neutrinoer for, at vi er til.
CUORE kryostat neutrinoer

Her inspiceres kryostaten, så forskerne kan være sikre på, at den kan holde CUORE-krystallerne nedkølet til en hundrededel af en grad over det absolutte nulpunkt. (Foto: CUORE Collaboration)

Hvorfor findes der noget i stedet for intet? Hvorfor er der stof i universet, når det egentlig lige så godt kunne være tomt?

Det er et spørgsmål, som fysikerne rigtig gerne vil besvare. Derfor har de designet et eksperiment, der måske kan løse gåden.

Eksperimentet hedder CUORE, Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, og det finder sted under 1.400 meter klippe i en grotte dybt inde i det italienske bjergmassiv Gran Sasso.

Her kan det nemlig være i fred for kosmisk stråling, der ellers kunne forstyrre det følsomme eksperiment.

LÆS OGSÅ: Oplev universets mindste og største byggestene

Neutrinoen kan forklare overskuddet af stof

Fysikerne vil forsøge at måle et radioaktivt henfald, som de ikke engang er sikre på eksisterer.

Hvis det findes, er det i hvert fald uhyre sjældent. Men blot et enkelt af disse særlige henfald, der kaldes neutrinoløst dobbelt beta-henfald, vil være en sensation.

En Majorana-partikel er sin egen antipartikel

Det var den italienske fysiker Ettore Majorana, der i 1937 fandt ud af, at en stofpartikel som en neutrino i teorien kan være sin egen antipartikel – omtrent som lyspartiklen fotonen er det.

Derfor kaldes en sådan partikel også en Majorana-partikel.

Det vil nemlig vise, at den uanseelige og nærmest spøgelsesagtige elementarpartikel neutrinoen er sin egen antipartikel.

Og hvis det er tilfældet, kan det være neutrinoernes skyld, at der er et solidt overskud af stof i universet.

»Det er det, der skal til, for at man i det tidlige univers kan opbygge en asymmetri mellem stof og antistof. Og den skal være der, for ellers ville vi ikke være her. Der er nødt til at være mere stof end antistof,« som Steen Hannestad siger det. Han er professor på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet og ekspert i neutrinoer.

LÆS OGSÅ: Hvad er elementarpartikler?

Stof og antistof bliver til stråling

Da stoffet blev dannet i det meget tidlige univers, var der lige meget stof og antistof. Når stof og antistof mødes, forsvinder begge dele, og der vil kun være stråling tilbage.

Men et eller andet gjorde, at vi i dag lever i et univers med masser af stof og næsten ikke noget antistof. Måske var det neutrinoerne, der reddede os.

I teorien kan neutrinoer spille hovedrollen i et trick, som sørger for, at der i en fysisk proces dukker flere partikler end antipartikler op. CUORE kan måske afsløre, om tricket virker, for i så fald vil man kunne observere neutrinoløse dobbelte beta-henfald.

LÆS OGSÅ: Jagten på spøgelsespartikler er gået ind

Henfald kan give overskud af stof

To typer betahenfald

Når et radioaktivt atom henfalder under udsendelse af en elektron og en antineutrino, kaldes det et betahenfald.

I atomkernen omdannes en neutron til en proton, så kulstof-14 eksempelvis bliver til kvælstof-14.

Det kaldes også et betahenfald, når atomkernen udsender en positron (elektronens antipartikel) og en neutrino, som det for eksempel sker, når en proton omdannes til en neutron i magnesium-23 ved et henfald til natrium-23.

Ved et normalt betahenfald omdannes en af atomkernens neutroner til en proton, samtidig med at der opstår og udsendes en elektron og en antineutrino.

Ved et dobbelt betahenfald, der er en langt sjældnere proces, omdannes to neutroner samtidig til to protoner, to elektroner og to antineutrinoer.

»I kernefysikken kender vi de dobbelte betahenfald. Men det mærkelige i de neutrinoløse dobbelte betahenfald er, at en udsendt neutrino så at sige bliver genabsorberet af systemet. Det kan kun lade sig gøre, hvis en neutrino er sin egen antipartikel,« fortæller Steen Hannestad.

Man kan forstå det på den måde, at to af neutronerne i atomkernen en sjælden gang imellem udveksler en neutrino/antineutrino i stedet for at udsende to antineutrinoer sammen med de to elektroner.

Så bliver resultatet, at der udsendes to partikler – elektronerne – og nul antipartikler.

LÆS OGSÅ: Stjerner af mørkt stof kan løse kosmisk mysterium

Ved processen er der kommet et overskud af stof i forhold til antistof, præcis som det kan være foregået ved big bang.

»Det er helt og aldeles plausibelt, at henfaldet findes, men det kan godt virke som sort magi, at man på den måde kan skabe flere partikler end antipartikler, siger Steen Hannestad og fortsætter:

»Det er ikke lige præcis det neutrinoløse dobbelte betahenfald, der sandsynligvis har været på spil i det tidlige univers, men andre, lignende processer, der er foregået ved meget høj energi og også har involveret neutrinoer.«

988 krystalterninger er klar

Krystaltårne

Før de kom i kryostaten blev tårnene med telluroxid-krystaller opbevaret i rent kvælstof. I luften findes nemlig små mængder radioaktivt radon, som kunne forurene krystallerne. (Foto: CUORE Collaboration)

Halvmetallet tellur er et af de grundstoffer, der i teorien kan bringe fysikerne på sporet af neutrinoens natur.

Derfor har forskerne fået fremstillet 988 telluroxid-krystaller med en samlet vægt på 741 kg. De 206 kg er isotopen tellur-130, hvis atomer måske kan henfalde ved neutrinoløst dobbelt betahenfald, som fysikerne i øvrigt forkorter 0νββ.

Krystallerne er fordelt i 19 søljer, holdt sammen af kobber og polymeren PTFE, der er bedre kendt som teflon. Hver søjle rummer 52 krystaller, hver af dem kubiske med en sidelængde på fem centimeter – lidt mindre end en professorterning.

LÆS OGSÅ: Sådan vejer man neutrinoer med galakser

Den koldeste kubikmeter

Krystallerne er forsynet med uhyre præcise termometre, for en ganske lille temperaturstigning kan røbe et henfald.

Jo lavere temperatur, desto nemmere er det at finde ud af, om temperaturen pludselig stiger en smule, så derfor skal helt molevitten sænkes ned i en kryostat – en dybfryser, der kan holde meget lave temperaturer – og køles ned til højst 10 millikelvin, lig med en hundrededel af en grad over det absolutte nulpunkt ved minus 273,15 grader celsius.

Kryostaten blev testet i oktober 2014, hvor det kobberstativ, der skal holde krystallerne, blev kølet ned til seks millikelvin. I laboratorier er der opnået lavere temperaturer, men kun for mikroskopiske objekter, så der var sandsynligvis tale om universets koldeste kubikmeter.

LÆS OGSÅ: Radioteleskop afslører det koldeste sted i universet

Romersk bly beskytter eksperimentet

Krystallerne er omhyggeligt dyrket på en måde, så der ikke er urenheder i dem. Specielt må de ikke rumme den mindste smule radioaktive stoffer, som kunne forstyrre målingerne.

Selv om eksperimentet foregår dybt nede i et bjerg, skal det beskyttes ekstra imod stråling fra omgivelserne. Forskerne har foret kryostaten med bly, som kan stoppe den uønskede stråling, og de brugte ikke bare almindeligt, naturligt bly. Det er nemlig en lille smule radioaktivt i sig selv.

CUORE blybarrer

2.000 år gamle blybarrer fra et sunket skib blev omsmeltet og brugt til at beskytte eksperimentet mod stråling udefra. Barrer med romerske inskriptioner blev dog bevaret. (Foto: INFN)

I stedet har fysikerne fået fingrene i fire tons bly, der har ligget på havets bund i et par tusinde år, så radioaktiviteten så at sige er dampet af.

LÆS OGSÅ: Radioaktiv stråling røber asymmetrisk supernovaeksplosion

Blyet blev fundet i vraget af et gammelt romersk skib, der sank ud for Sardinien for cirka 2.000 år siden. Romerne brugte blandt andet bly til vandrør.

Det krævede altså et unikt samarbejde mellem fysikere og marinarkæologer at konstruere CUORE. Brugen af det antikke bly var i øvrigt ikke helt ukontroversielt – nogle arkæologer mente, at de gamle blybarrer skulle bevares for eftertiden frem for at blive brugt til et fysikeksperiment.

Nedkølingen er i gang

Nu er krystallerne kommet på plads i den blyforede kryostat dybt inde i det italienske bjerg, og nedkølingen kan begynde. Når det er klaret, og alt er tjekket, kan eksperimentet for alvor gå i gang. Det bliver nok i starten af det nye år.

Andre eksperimenter jager også henfaldet

CUORE er ikke det eneste eksperiment, hvor fysikerne vil forsøge at måle neutrinoløse dobbelte betahenfald.

Lignende eksperimenter baseret på tellur, germanium, xenon, selen eller molybdæn er under forberedelse rundt omkring på kloden.

Så er det blot at læne sig tilbage og vente på, at et af tellur-atomerne henfalder uden at frigive neutrinoer.

Og fysikerne er beredte på, at de kan komme til at vente længe.

Halveringstiden for henfaldet – hvis det eksisterer – er i hvert fald længere end fire millioner milliarder milliarder år. Det viser et tidligere eksperiment.

Hvis man kun holdt øje med et enkelt atom, skulle man regne med at vente i mange gange universets levetid.

LÆS OGSÅ: Forskere finder universets måske tidligste galakse

Større end Higgs

Det er derfor, der skal så mange kg tellur til, for så er der jo rigtig mange atomer, der kan henfalde.

Eksperimentet skal køre i mindst fem år. Spørgsmålet er så, om det er nok.

LÆS OGSÅ: Stort instrument skal fange små partikler i rummet

»De fleste teoretiske fysikere vil nok mene, at neutrinoen godt kan være sin egen antipartikel, og at det neutrinoløse, dobbelte betahenfald kan lade sig gøre. Men det er en ekstrem sjælden proces, og jo lettere den letteste neutrino er, desto længere er halveringstiden for henfaldet. Måske er neutrinoen så let, at eksperimentet ikke kan afsløre henfaldet,« siger Steen Hannestad og slutter:

»Men hvis det lykkes, vil det være større end målingen af Higgs-partiklen, som man jo mere eller mindre godt vidste, ville være der. Det vil være et meget vigtigt og fundamentalt skridt i vores forsøg på at få dybere forståelse af naturen.«

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.