Experimentul Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), aflat în prezent în construcție, va trimite atât neutrini, cât și antineutrini de sub Fermilab, lângă Chicago, către Sanford Underground Research Facility, aflat la aproximativ 1.300 de kilometri distanță, în Dakota de Sud. Neutrinii pot traversa Pământul neafectați, fără a fi nevoie de un tunel. Acest experiment ambițios ar putea dezvălui modul în care comportamentul neutrinilor diferă de cel al omologilor lor din antimaterie, antineutrinii.
Big Bangul ar fi trebuit să producă cantități egale de materie și antimaterie, care s-ar fi anihilat reciproc într-o explozie spectaculoasă de energie pură. Dar acest lucru nu s-a întâmplat. Noi experimente, axate pe înțelegerea enigmaticului neutrino, ar putea oferi indicii de ce.
Tot ceea ce vedem în jurul nostru, de la solul de sub picioare până la cele mai îndepărtate galaxii, este alcătuit din materie. Pentru oamenii de știință, acest fapt a reprezentat mult timp o problemă: potrivit celor mai bune teorii actuale ale fizicii, materia și contrapartea sa, antimateria, ar fi trebuit să fie create în cantități egale în momentul Big Bangului. Însă antimateria este extrem de rară în univers. Așadar, ce s-a întâmplat?
Fizicienii nu cunosc încă răspunsul la această întrebare, dar mulți cred că soluția trebuie să implice o diferență subtilă în modul în care se comportă materia și antimateria. Iar în prezent, cea mai promițătoare cale de explorare a acestui teritoriu necunoscut se concentrează pe noi experimente care implică o particulă subatomică misterioasă, cunoscută sub numele de neutrino.
„Nu înseamnă că neutrinii sunt cu siguranță explicația asimetriei materie–antimaterie, dar o clasă foarte largă de modele care pot explica această asimetrie este legată de neutrini”, spune Jessica Turner, fizician teoretician la Universitatea Durham din Regatul Unit.
Să facem un pas înapoi: când fizicienii vorbesc despre materie, se referă pur și simplu la substanța obișnuită din care este alcătuit universul — în principal protoni și neutroni (care formează nucleele atomilor), împreună cu particule mai ușoare precum electronii.
Deși termenul „antimaterie” are o rezonanță science-fiction, antimateria nu este chiar atât de diferită de materia obișnuită. De regulă, singura diferență este sarcina electrică: de pildă, pozitronul — prima particulă de antimaterie descoperită — are aceeași masă ca electronul, dar poartă o sarcină pozitivă, nu negativă. (Lucrurile sunt ceva mai complicate în cazul particulelor neutre din punct de vedere electric. De exemplu, un foton este considerat propria sa antiparticulă, dar un antineutron este diferit de un neutron prin faptul că este alcătuit din antiquarcuri, nu din quarcuri obișnuite.)
Diverse particule de antimaterie pot exista în natură; ele apar în razele cosmice și în norii de furtună și sunt produse de anumite tipuri de dezintegrare radioactivă. (Pentru că oamenii — și bananele — conțin o cantitate mică de potasiu radioactiv, ei emit cantități infime de antimaterie sub formă de pozitroni.)
Cantități mici de antimaterie au fost create și de oameni de știință în acceleratoare de particule și în alte experimente, cu eforturi și costuri foarte mari — ceea ce a temperat visele science-fiction despre rachete propulsate cu antimaterie sau arme capabile să distrugă planete folosind-o drept sursă de energie.
Când materia și antimateria se întâlnesc, ele se anihilează, eliberând energie sub formă de radiație. Astfel de întâlniri sunt guvernate de celebra ecuație a lui Einstein, E = mc² — energia este egală cu masa înmulțită cu pătratul vitezei luminii — care spune că poți transforma o cantitate mică de materie într-o cantitate mare de energie sau invers. (Pozitronii emiși de banane și de corpul uman au o masă atât de mică, încât nu observăm cantitățile infime de energie eliberate atunci când se anihilează.) Pentru că materia și antimateria se anihilează atât de ușor, este dificil să se obțină un „bulgăre” de antimaterie mai mare decât un atom, deși, în teorie, ar putea exista de la molecule de antimaterie până la planete și stele de antimaterie.
Dar apare un paradox: dacă materia și antimateria au fost create în cantități egale în momentul Big Bangului, așa cum sugerează teoria, nu ar fi trebuit ele să se anihileze complet, lăsând un univers alcătuit doar din energie pură? De ce a mai rămas materie?
Cea mai bună presupunere a fizicienilor este că un anumit proces din universul timpuriu a favorizat producerea de materie în detrimentul antimateriei — dar care a fost exact acest proces rămâne un mister, iar întrebarea de ce trăim într-un univers dominat de materie este una dintre cele mai dificile probleme din întreaga fizică.
Fizicienii nu au reușit să identifice un astfel de proces care să fie compatibil cu teoria dominantă actuală a materiei și energiei, cunoscută sub numele de modelul standard al fizicii particulelor elementare. Acest lucru îi obligă pe teoreticieni să caute idei noi, o fizică încă necunoscută, care să meargă dincolo de modelul standard. Aici intră în scenă neutrinii.
Un răspuns neutru
Neutrinii sunt particule extrem de mici, lipsite de sarcină electrică. (Numele lor se traduce prin „micuț neutru”.) Potrivit modelului standard, ei ar trebui să fie lipsiți de masă, la fel ca fotonii, însă experimentele începute în anii '90 au arătat că au, de fapt, o masă foarte mică. (Sunt de cel puțin un milion de ori mai ușori decât electronii, care sunt deja particule extrem de ușoare în rândul materiei obișnuite.)
Deoarece fizicienii știu deja că neutrinii încalcă modelul standard prin faptul că au masă, speranța este că o înțelegere mai profundă a acestor particule minuscule ar putea oferi indicii despre ceea ce se află dincolo de acest model.
Totuși, neutrinii și-au „dezvăluit” greu secretele, deoarece interacționează foarte slab cu alte particule. Aproximativ 60 de miliarde de neutrini proveniți de la Soare trec prin fiecare centimetru pătrat de piele al corpului tău în fiecare secundă. Dacă acești neutrini ar interacționa cu atomii din corpul nostru, probabil ne-ar distruge. În schimb, trec pur și simplu prin noi. „Cel mai probabil, nu vei interacționa cu niciun neutrino pe parcursul vieții tale”, spune Pedro Machado, fizician la Fermilab, lângă Chicago. „Este pur și simplu extrem de improbabil.”
Cu toate acestea, experimentele au arătat că neutrinii „oscilează” pe măsură ce se deplasează, trecând prin trei identități — pe care fizicienii le numesc „arome”: neutrino electronic, neutrino miuonic și neutrino tau. Măsurătorile oscilațiilor au arătat, de asemenea, că neutrinii de arome diferite au mase ușor diferite.
Se știe că neutrinii oscilează, trecând între trei varietăți sau „arome”.
Modul exact în care oscilează este guvernat de legile mecanicii cuantice, iar probabilitatea ca un neutrino electronic să se transforme, de exemplu, într-un neutrino muonic variază în funcție de distanța parcursă.
A treia aromă, neutrino tau, este foarte rară.
Oscilația neutrinilor este ciudată, dar poate fi o ciudățenie utilă, deoarece ar putea permite fizicienilor să investigheze anumite simetrii fundamentale din natură, iar acestea, la rândul lor, ar putea clarifica cea mai deranjantă dintre asimetrii, și anume dezechilibrul dintre materie și antimaterie din univers.
Pentru cercetătorii în domeniul neutrinilor, o simetrie-cheie este cea numită simetria sarcină–paritate sau simetria CP. Ea este, de fapt, o combinație a două simetrii distincte: schimbarea sarcinii unei particule transformă materia în antimaterie (sau invers), iar schimbarea parității transformă o particulă în imaginea sa în oglindă (precum transformarea unei mănuși drepte într-una stângă).
Astfel, versiunea CP-opusă a unei particule de materie obișnuită este imaginea în oglindă a antiparticulei corespunzătoare. Dar se comportă această particulă opusă exact la fel ca originalul? Dacă nu, fizicienii spun că simetria CP este încălcată — un mod sofisticat de a spune că materia și antimateria se comportă ușor diferit una față de cealaltă. Prin urmare, orice exemple de încălcare a simetriei CP în natură ar putea ajuta la explicarea dezechilibrului materie–antimaterie.
De fapt, încălcarea simetiri CP a fost deja observată la unii mezoni, un tip de particule subatomice alcătuite, de obicei, dintr-un quarc și un antiquarc, un rezultat surprinzător descoperit pentru prima dată în anii '60. Dar efectul este extrem de mic și este departe de a putea explica asimetria materie–antimaterie a universului.
În iulie 2025, oamenii de știință care lucrează la Marele Accelerator de Hadroni de la CERN, de lângă Geneva, au descoperit dovezi clare pentru o încălcare similară comisă de un tip de particule dintr-o familie diferită de particule subatomice, cunoscute sub numele de barioni — însă și această încălcare CP recent observată este considerată mult prea mică pentru a explica dezechilibrul materie–antimaterie.
Simetria sarcină–paritate sau CP este o combinație a două simetrii distincte: schimbarea sarcinii unei particule de la pozitiv la negativ, de exemplu, transformă materia în antimaterie (sau invers), în timp ce schimbarea parității transformă particula în imaginea sa în oglindă (precum transformarea unei mănuși drepte într-una stângă).
Să luăm ca exemplu un electron: dacă îi schimbi sarcina, obții un pozitron; dacă îi schimbi „orientarea” — în fizica particulelor, aceasta este de fapt o proprietate cuantică numită spin — obții un electron cu spin opus. Dacă schimbi ambele proprietăți, obții un pozitron care este imaginea în oglindă a electronului inițial.
Dacă această particulă „răsturnată CP” se comportă sau nu la fel ca electronul original este o întrebare esențială: dacă nu, fizicienii spun că simetria CP este „încălcată”.
Orice exemple de încălcare a simetriei CP în natură ar putea ajuta la explicarea dezechilibrului materie–antimaterie observat în universul de astăzi.
Experimente la orizont
Dar ce se întâmplă în cazul neutrinilor? Încalcă ei simetria CP — și, dacă da, într-un mod suficient de amplu pentru a explica de ce trăim într-un univers dominat de materie? Aceasta este exact întrebarea abordată de o nouă generație de experimente din fizica particulelor. Cel mai ambițios dintre ele este Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), aflat în prezent în construcție în Statele Unite; colectarea datelor ar putea începe chiar din 2029.
DUNE va folosi cel mai intens fascicul de neutrini din lume, care va trimite atât neutrini, cât și antineutrini de la Fermilab la Sanford Underground Research Facility, situat la aproximativ 1.300 de kilometri distanță, în Dakota de Sud. (Nu există niciun tunel; neutrinii și antineutrinii traversează pur și simplu Pământul, fără a „observa” în mare parte că acesta există.) Detectoarele de la ambele capete ale fasciculului vor arăta cum oscilează particulele pe măsură ce parcurg distanța dintre cele două laboratoare — și dacă comportamentul neutrinilor diferă de cel al antineutrinilor.
DUNE nu va determina cu precizie cantitatea exactă de încălcare a simetriei CP a neutrinilor (dacă aceasta există), dar va stabili o limită superioară. Cu cât efectul posibil este mai mare, cu atât discrepanța dintre comportamentul neutrinilor și al antineutrinilor este mai mare și cu atât este mai probabil ca neutrinii să fi fost responsabili pentru asimetria materie–antimaterie din universul timpuriu.
Pentru Shirley Li, fizician la Universitatea din California, Irvine, problema încălcării CP la neutrini este una urgentă, care ar putea indica direcția unei regândiri majore a fizicii particulelor. „Dacă aș putea avea o singură întrebare la care să primesc un răspuns până la sfârșitul vieții mele, aș vrea să știu despre ce este vorba aici”.
Dincolo de a fi o descoperire majoră în sine, încălcarea simetriei CP la neutrini ar putea pune sub semnul întrebării modelul standard, indicând existența unei fizici noi. De exemplu, teoreticienii spun că aceasta ar însemna că ar putea exista două tipuri de neutrini — unii „stângaci” (cei ușori, observați până acum) și alții mult mai grei, „dreptaci”, care deocamdată sunt doar o posibilitate teoretică. („Orientarea” particulelor se referă la proprietățile lor cuantice.)
Acești neutrini „dreptaci” ar putea fi de până la 10¹⁵ ori mai grei decât protonii și ar fi instabili, dezintegrarea lor având loc aproape instantaneu după apariție. Deși nu se găsesc în universul actual, fizicienii suspectează că neutrinii drepți ar fi putut exista în momentele de după Big Bang — posibil dezintegrându-se printr-un proces care imita încălcarea CP și favoriza crearea materiei în detrimentul antimateriei.
Este chiar posibil ca neutrinii să poată acționa ca propriile lor antiparticule — adică neutrinii să se poată transforma în antineutrini și invers. Acest scenariu, pe care descoperirea neutrinilor drepți l-ar susține, ar face ca neutrinii să fie fundamental diferiți de particule mai familiare, precum quarcurile și electronii. Dacă antineutrinii se pot transforma în neutrini, acest lucru ar putea ajuta la explicarea dispariției antimateriei în primele momente ale universului.
O modalitate de a testa această idee este căutarea unui tip neobișnuit de dezintegrare radioactivă — teoretizată, dar niciodată observată până acum — cunoscută sub numele de „dublă dezintegrare beta fără neutrini”. În dezintegrarea beta dublă obișnuită, doi neutroni dintr-un nucleu se dezintegrează simultan în protoni, eliberând doi electroni și doi antineutrini. Dar dacă neutrinii pot acționa ca propriile lor antiparticule, atunci cei doi neutrini s-ar putea anihila reciproc, lăsând în urmă doar cei doi electroni și o rafală de energie.
O serie de experimente sunt în desfășurare sau planificate pentru a căuta acest proces de dezintegrare, inclusiv experimentul KamLAND-Zen, de la instalația de detecție a neutrinilor Kamioka din Japonia; experimentul nEXO, de la instalația SNOLAB din Ontario, Canada; experimentul NEXT, de la Laboratorul Subteran Canfranc din Spania; și experimentul LEGEND, de la laboratorul Gran Sasso din Italia. KamLAND-Zen, NEXT și LEGEND sunt deja operaționale.
Deși aceste experimente diferă în detalii, toate folosesc aceeași strategie generală: utilizează un vas uriaș cu material radioactiv dens și rețele de detectoare care caută emisia unor electroni neobișnuit de energetici. (Însoțitorii lor așteptați, neutrinii, ar lipsi, energia pe care ar fi trebuit să o poarte fiind transferată electronilor.)
Deși neutrino rămâne una dintre cele mai misterioase particule cunoscute, el își dezvăluie încet, dar constant, secretele. Pe măsură ce o face, ar putea rezolva enigma universului nostru dominat de materie — un univers care, întâmplător, permite unor ființe curioase ca noi să prospere. Neutrinii care traversează în tăcere corpul tău în fiecare secundă dezvăluie treptat universul într-o lumină nouă.
„Cred că intrăm într-o eră foarte interesantă”, spune Turner.
Traducere după How a mysterious particle could explain the universe’s missing antimatter de Dan Falk.
