Først var det ingenting, og så oppsto plutselig alt: dimensjoner, tid, naturlover og den materien som senere ble til stjerner, planeter og liv.
Slik lyder universets skapelsesberetning ifølge big bang-teorien. Men flere forhold omkring universets fødsel er fortsatt innhyllet av mystikk.
Et av de største ubesvarte spørsmålene er hvorfor det i det hele tatt eksisterer materie. Ifølge fysikernes modeller var big bang symmetrisk, noe som vil si at det ble dannet like mye vanlig materie og antimaterie.
Når materie og antimaterie møtes, utsletter de hverandre og forvandles til stråling. Derfor burde big bang ha endt med at det nye universet ble fylt med stråling – og ingenting annet.
Men slik gikk det som kjent ikke. I stedet ble universet fylt med alle de bestanddelene som skal til for å bygge de partiklene vi kjenner i dag.
Nå kan en gruppe fysikere kanskje finne svaret på hvorfor det ble slik. Under fjellet Gran Sasso i Appenninene midt i Italia har de bygget en detektor de kaller Cuore, som skal undersøke den eneste partikkelen som kanskje fortsatt bærer på hemmeligheten om hvorfor big bang ikke endte som en blindgjenger: nøytrinoet.
Verdens kaldeste detektor skal avsløre sjeldent henfall
Forskerne leter etter en spesiell form for henfall uten nøytrinoer. Derfor har de bygget en detektor i universets kaldeste kubikkmeter. Den kan finne ett henfall i året – hvis de er heldige. Og hvis det i det hele tatt forekommer i naturen.
Henfall lar vente på seg
Detektoren har 988 terninger med 34 prosent av den dobbeltbetaradioaktive tellurisotopen 130Te. Den er så lite radioaktiv at ett atom bare henfaller én ganger på 10^24 år. I detektoren vil det skje ett henfall per år, noe som gjør forsøket til det langsomste i verden. Noen av henfallene kan være av typen forskerne leter etter.
Terninger måler varme
Terningene har en såkalt termistor av germanium, med en elektrisk ledningsevne som endres i takt med temperatur. Det er altså et termometer som kan registrere små endringer som avslører det henfallet forskerne leter etter. Det er koblet til den sentrale datamaskinen og sender data 100 ganger per sekund.
Kjøling skaper klodens kaldeste kubikkmeter
Detektoren er kjølt ned med såkalt fortynningskjøling, som utnytter stadier som to av isotopene til helium opptrer i like over det absolutte nullpunktet. Forsøket kjøles ned til 0,007 grader over det absolutte nullpunktet. Det gjør Cuore til universets kaldeste felt.
Romersk bly stanser fremmed stråling
For å unngå partikler utenfra har detektoren en kappe av bly. En del kommer fra bly funnet i romerske skip i Middelhavet. Nesten alt det radioaktive blyet er nedbrutt etter alle årene på havbunnen, slik at blyet ikke forstyrrer målingen.
Partikkel funnet som kriseløsning
Nøytrinoets eksistens ble første gang forutsagt i 1930 av fysikeren Wolfgang Pauli. Han fant på den lille partikkelen i desperasjon over ikke å kunne få regnestykket over energien ved såkalt betahenfall til å gå opp.
Han visste at når et radioaktivt stoff gjennomgår betahenfall, gjøres et nøytron i atomkjernen om til et proton, som forblir i kjernen, samt et elektron, som sendes ut.
Men Paulis eksperimenter viste at elektronet hadde mindre energi enn det masseforskjellen mellom nøytronet og protonet skulle tilsi.
Han innførte derfor en ny partikkel som kunne bære den manglende energien – nøytrinoet var født.
Wolfgang Pauli kunne imidlertid ikke bevise den nye teorien. Først i 1956 klarte de to amerikanske fysikerne Frederick Reines og Clyde Cowan å påvise at nøytrinoer faktisk finnes.
Forskerne utførte forsøket like ved en atomreaktor som de visste burde sende ut enorme mengder av de små partiklene. Her lette de etter to gammastråler som blir sendt ut når et nøytrino kolliderer med et proton.
Sammenstøtet skaper et nøytron og et positron, som øyeblikkelig destrueres og gjøres om til stråling fordi den er antipartikkelen til elektroner.
Nøytrinoer holder seg for seg selv
Siden forsøket til Frederick Reines og Clyde Cowan er det forsket mye på nøytrinoer, men det er ikke enkelt, for det er vanskelig å observere dem.
Selv om forskernes måleutstyr ved atomreaktoren ble truffet av 50 billioner nøytrinoer per kvadratcentimeter hvert sekund, skjedde en kollisjon mellom et nøytrino og et nøytron bare tre ganger i timen.
Det skyldes at partiklene bare vekselvirker med andre partikler gjennom tyngdekraften, som er forsvinnende liten, og den svake kjernekraften.
Den svake kjernekraften avtar så raskt med avstanden at den nærmest bare er interessant inne i en atomkjerne og i de aller nærmeste omgivelsene.
I Gran Sasso National-laboratoriet i Italia har forskere bygget detektoren Cuore, som skal utføre verdens langsomste måling.
Det innebærer at sannsynligheten for at et nøytrino påvirker en annen partikkel, er forsvinnende liten.
For eksempel passerer stort sett alle de nøytrinoene som sola hele tiden sender ut – omkring 1038 nøytrinoer per sekund – helt uhindret gjennom jorda med en enorm fart, og titusener av dem passerer hvert sekund gjennom kroppen din uten at du legger merke til det. Derfor kalles nøytrinoet også spøkelsespartikkelen.
Forskerne vet imidlertid at nøytrinoer er blant de partiklene det er aller mest av i universet. De har ingen ladning og finnes i minimum tre ulike utgaver. Minst én av dem har masse, som imidlertid er flere millioner ganger mindre enn massen til elektronet.
10^24 er i gjennomsnitt det antallet år som går før et atom av isotopen 130Te henfaller.
Dobbeltrolle kan løse gåten
Fysikerne snakker også om at det må finnes både nøytrinoer og antinøytrinoer – to ulike partikler. Alle de partiklene fysikerne kjenner til i dag, har en egen antipartikkel som er observert – bortsett fra nøytrinoet.
Derfor har fysikerne nå en mistanke om at nøytrinoet kanskje kan være sin egen antipartikkel – og hvis den er det, kan den lille partikkelen løse mysteriet om hvordan et univers av materie kunne bli født ved big bang.
Forskernes teori er at såkalte hermafrodittpartikler, som er partikkel og antipartikkel i ett, ble skapt rett etter big bang. På grunn av dobbeltheten kunne de henfalle til mye mer materie enn antimaterie og dermed skape universet.
I dag vil slike partikler for lengst ha forsvunnet – de kunne bare eksistere da universet var ungt og svært energirikt. Men hvis nøytrinoet viser seg å være sin egen antipartikkel, vet forskerne at det er mulig å være begge deler.
Null nøytrinoer er nøkkelen
Detektoren Cuore skal nettopp forsøke å avsløre nøytrinoets dobbeltrolle som sin egen antipartikkel. Cuore står for «Cryogenic Underground Observatory for Rare Events» altså «underjordisk lavtemperaturobservatorium for sjeldne hendelser».
I Gran Sasso National-laboratoriet i Italia har forskere bygget detektoren Cuore, som skal utføre verdens langsomste måling.
De sjeldne hendelsene er en spesiell type henfall av den radioaktive isotopen av grunnstoffet tellur som heter 130Te. I høye konsentrasjoner er dette stoffet betaradioaktivt, men ikke på samme måte som det betahenfallet Wolfgang Pauli i sin tid undersøkte.
I stedet for at et nøytron henfaller til et proton, et elektron og et nøytrino, henfaller to nøytroner i 130Te samtidig til to protoner, to elektroner og to nøytrinoer ved såkalt dobbeltbetahenfall.
Hvis nøytrinoet er sin egen antipartikkel, vil det iblant forekomme et helt spesielt nøytrinoløst dobbeltbetahenfall, der de to nøytrinoene nøytraliserer hverandre i det øyeblikket de oppstår.
Dermed må de elektronene som sendes ut ved henfallet, bære all den energien som svarer til masseforskjellen mellom de to nøytronene og de to protonene.
Og det er akkurat den energien Cuore ser etter.
I første omgang kjørte Cuore i to måneder i 2017 for å fastslå halveringstiden for 130Te, slik at forskerne vet hvor mange nøytrinoløse henfall de kan forvente fra mengden i detektoren.
Resultatet viser at de høyst kan finne ett i året eller fem på de fem årene eksperimentet er i gang, noe som gjør eksperimentet til verdens langsomste forsøk.
Men det er verdt å vente på, for hvis Cuore klarer å fange det sjeldne henfallet, har eksperimentet avslørt hvordan hele universet kunne bli til.