Sciencemag.cz
Doporučujeme
V Itálii pod téměř kilometrem skály, která má maximálně odstínit šum prostředí, běží detektor CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), používaný k práci s neutriny. Nový výzkum se zaměřil na možnost, že by neutrino mohlo být svou vlastní antičásticí, tedy spadalo mezi tzv. Majoranovy fermiony (žádný příklad z této kategorie dosud neznáme). V takovém případě by docházelo k jednomu speciálnímu typu jaderného rozpadu. Tři roky trvající sledování vedlo k závěru, že pokud by k takový proces byl vůbec možný, měl by poločas rozpadu délku biliony (trillions) bilionů let. Takto stanovený limit je velmi přísný; závěr z toho zní, že neutrino svou antičásticí není.
Pokud by neutrina spadala mezi Majoranovy fermiony, mělo by to zřejmě vztah i k otázce, proč je ve vesmíru mnohem více hmoty než antihmoty. Neutrina i elektrony patří k leptonům. Zdá se, že jedním ze základních přírodních zákonů je to, že počet leptonů se vždy zachovává – pokud nějaký proces vytvoří lepton, musí vytvořit také antilepton. Podobný zákon zachování platí i pro baryony (proton a neutron), respektive kvarky. Kdyby se však baryonové a leptonové číslo vždy zachovávalo, pak by ve vesmíru muselo být přesně tolik hmoty jako antihmoty, vše by se anihilovalo už v raném vesmíru a my bychom neexistovali. (Poznámky PH: Leda by samozřejmě asymetrie existovala už od začátku; nebo by se třeba obě skupiny mohly nesymetricky rozprsknout do různých částí vesmíru.) Teorie dále praví, že pokud by neutrina byla svými vlastními antičásticemi, pak by leptonové číslo ale zachovávat nemuselo, což by podporovalo možný vznik asymetrie hmoty a antihmoty. Taktéž se uvádí, že „majoranovský“ charakter neutrin by lépe vysvětloval jejich extrémně malou, ale nenulovou klidovou hmotnost, a to pomocí tzv. houpačkového (seesaw) mechanismu.
Teď tedy k samotnému zjištění, zda jsou neutrina a antineutrina totéž. Majoranovské povaze neutrin by odpovídal speciální typ rozpadu, tzv. bezneutrinový dvojitý rozpad beta. Dvojitý beta rozpad znamená, že dva neutrony se přemění na dva protony, přičemž se vyzáří dva elektrony a dvě antineutrina. Pokud je však neutrino Majoránovým fermionem, pak by teoreticky bylo možné, aby při dvojitém beta rozpadu obě antineutrina (částice a antičástice) spolu anihilovala. Z atomového jádra by pak odlétly jen elektrony. O dvojitém beta rozpadu bez neutrina se teoreticky uvažuje již desítky let, nikdy ale nebyl pozorován.
Při experiment CUORE se vědci pokoušeli zaznamenat tento rozpad u atomů telluru. Experiment využívá téměř tisíc vysoce čistých krystalů oxidu telluričitého TeO2, které dohromady vážily přes 700 kg. Takové množství telluru je nezbytné, protože v průměru trvá miliardkrát déle, než je současné stáří vesmíru, než jeden nestabilní atom telluru projde běžným dvojitým rozpadem beta. V každém z krystalů, které CUORE používá, jsou však biliony bilionů atomů teluru, což znamená, že k běžnému dvojitému rozpadu beta dochází v detektoru poměrně pravidelně, přibližně několikrát denně v každém krystalu.
Přes extrémní citlivost celého experimentu se však dvojitý rozpad beta bez neutrin zachytit nepodařilo. Dá se z toho dopočítat, že k tomuto procesu u atomů telluru nedochází častěji než jednou za 22 bilionů bilion let.
Viz také: Vědci navrhují beta rozpad bez vzniku neutrin
Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04497-4
Zdroj: Lawrence Berkeley National Laboratory / Phys.org
