MIT'de araştırmacılar da dâhil olmak üzere uluslararası bir fizikçi kadrosu, fiziğin en temel sorularından birine cevap vermek üzere tasarlanmış bir yeraltı deneyinden elde edilen ilk sonuçları rapor ediyor: Evrenimiz neden çoğunlukla maddeden oluşuyor?

     Teoriye göre, Big Bang, eşit miktarda madde ve antimadde üretmelidir, yani protonların, elektronların, nötronların ve diğer parçacıkların antiparçacıkları olması gerekmektedir. Ancak, etrafımızda gördüğümüz her şey büyük ölçüde galaksilerden, yıldızlardan, gezegenlerden oluşmuşken çok az antimaddeden oluşan, maddi bir evrende yaşıyoruz.

     Fizikçiler, Big Bang'i izleyen ilk anlarda, bazı süreçlerin dengeyi maddeye göre hareket ettirmesi gerektiğini öne sürerler. Bu türden bir teorik süreç, neredeyse hiç kütleye sahip olmayan ve diğer maddelerle çok az etkileşime girmesine rağmen, evrene nüfuz ettiği düşünülen bir parçacık olan nötrino’yu içerir.

     Nötrino'nun kendi antipartikülü olması ihtimali vardır, bu da kendisinin bir madde ve antimadde versiyonu arasında dönüşme yeteneğine sahip olabileceği anlamına gelir. Eğer durum böyleyse, fizikçiler bunun, evrenin dengesizliğini açıklayabileceğine inanırlar, çünkü Big Bang'den hemen sonra üretilen daha ağır nötrinolar, asimetrik olarak çürüyecekti, anti-madde değil, kendilerinden daha çok madde üretecekti.

     Nötrino'nun kendi antipartikülü olduğunu teyit etmenin bir yolu, içinde kararlı bir izotop olan “nötrinoless çift beta bozunumu” (Nükleer fizikte çifte beta bozunumu , iki protonun eş zamanlı olarak bir atom çekirdeğinin içinde iki nötrona dönüştürüldüğü ya da tam tersi bir radyoaktif bozulma türüdür.) olarak bilinen aşırı derecede nadir bir süreci tespit etmektir. Doğal olarak bozulduğu için tellurum veya ksenon gibi stabil bir izotop, elektron ve antineutrinos dahil bazı partikülleri açığa çıkarır.

     Eğer nötrino aslında kendinin antiparçacığı ise, o zaman fiziğin kurallarına göre antineutrinolar birbirini yok etmelidir ve bu bozunma süreci “nötrrenoless” olmalıdır. Bu işlemin herhangi bir ölçüsü, sadece izotoptan kaçan elektronları kaydetmelidir.

     Nadir Olaylar için Kriyojenik Yeraltı Gözlemevi için CUORE olarak bilinen yeraltı deneyi, 988 kristalleri olan tellürdioksidin doğal bozunmasından “nötrinoless” bir çift beta bozunumu tespit etmek için tasarlanmıştır. MIT'deki fizikçiler de dahil olmak üzere araştırmacılar CUORE tarafından toplanan verilerin ilk iki ayı hakkında rapor hazırladılar.

     Araştırmacılar, denemenin 988 kristali içindeki muazzam sayıda atomu hesaba katarak, önümüzdeki beş yıl içinde, bu sürece giren en az beş atomu tespit edebilmeleri gerektiğini öngörüyorlar, eğer varsa, nötrino'nun kendi antipartikülü olduğunu kesin bir şekilde kanıtlar.

     MIT'de Nükleer Bilimler Laboratuvarı üyesi, CUORE üyesi Yardımcı Doçent Lindley Winslow “Buradaki büyük heyecan, 998 kristalin birlikte çalışabilmesiydi ve şimdi bir şeyler denemek ve görmek için bir yoldayız,” dedi.

     CUORE deneyi, evrendeki kaynaklardan gelen radyasyonun sürekli bombardımanı gibi dışsal uyaranlardan korumak için, İtalya'nın merkezinde bir dağın derinliklerinde bulunan İtalya Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü'nün (INFN) Gran Sasso Ulusal Laboratuvarları'nda yapılıyor.

     Deneyin kalbi 19 kuleden oluşan bir detektördür, her biri küp şeklindeki kristaller içeren tellür dioksit içerir, toplamda 988 kristalin kütlesi 742 kilogramdır. Bilim adamları, bu kristal miktarının, belirli bir tellür izotopunun yaklaşık 100 septilyon atomunu içerdiğini tahmin ediyorlar. Elektronik ve sıcaklık sensörleri bozunmaların izlerini izlemek için her kristale bağlıdırlar. Tüm dedektörler, 6 millikelvin'lik sabit bir sıcaklığı koruyan ultra soğuk bir buzdolabında bulunur. Araştırmacılar daha önce bu buzdolabının evrendeki en soğuk ortam olduğunu hesapladılar.

     Tek bir tellür atomunun bozunmasıyla oluşan sıcaklıktaki değişimi tespit etmek için deney aşırı derecede soğuk tutulmalıdır. Normal bir çift beta bozunma işleminde, bir tellür atomu iki elektronun yanı sıra ısı formunda belirli bir enerjiye sahip iki antineutrinos verir. Nötrinoless bir çift beta bozunması durumunda, iki antineutrinos birbirini yok etmeli ve sadece iki elektron tarafından salınan enerji üretilmelidir. Fizikçiler daha önce bu enerjinin 2.5 megaelektron volt (Mev) civarında olması gerektiğini hesaplamışlardır.

     Sonuçlar, CUORE'un şimdiye kadar çalıştırdığı kısa sürede, detektördeki 1000 septilyon tellür atomunun bir tanesinin, nötrinoless bir çift beta bozunmasına maruz kalmayacağını göstermektedir. İstatistiksel olarak, bir nötrino aslında kendi antipartikülü ise, bu sürece tabi tek bir atom için en az 10 septilyon yıl alacağı anlamına gelir.

     Winslow, “Tellurium dioksit için bu işlemin bugüne kadar elde ettiğimiz en iyi zaman sınırı” diyor.

     CUORE önümüzdeki beş yıl boyunca kristalleri izlemeye devam edecek ve araştırmacılar şimdi deneyi CUPID olarak adlandırdıkları bir sonraki nesli daha fazla sayıda atom içinde aynı süreci arayacak bir detektör tasarlıyorlar. Winslow, CUPID'in ötesinde, bilim adamlarının kesin bir sonuç çıkarabilmesinden önce, mümkün olan daha büyük bir iterasyon (tekrarlama) olduğunu söylüyor.

     “Eğer 10-15 yıl içinde bunu görmezsek, doğa bir şeyi gerçekten garip bir şekilde seçmedikçe, nötrino büyük ihtimalle kendi antipartikülü değildir” diyor Winslow. “Parçacık fiziği, nötrino'nun hala kendi antipartikülü olması ve sizin görmemiş olmanız için çok daha fazla seçenek üretmeye gerek olmadığını söyler. Saklanacak pek çok yer yok.”

     Bu araştırma, İtalya'daki Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü (INFN), Ulusal Bilim Vakfı, Alfred P. Sloan Vakfı ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklenmektedir.