Se cree que los neutrinos del Big Bang están en todas partes del universo, pero nunca se han visto. La expansión del universo los ha estirado y se cree que son miles de millones de veces más fríos que los neutrinos que fluyen del Sol. Como los testigos más antiguos conocidoso "reliquias" del universo primitivo, podrían arrojar nueva luz sobre el nacimiento del cosmos si los científicos pudieran precisarlas. Es una tarea difícil ya que estas partículas fantasmales pueden acelerar a través de los planetas como si fueran un espacio vacío.
Ahora, el físico de la Universidad de Princeton, Chris Tully, está preparando una instalación para detectar estas reliquias ricas en información que aparecieron un segundo después del Big Bang, durante el inicio de la época que fusionó protones y neutrones para crear todos los elementos de luz en el universo. Tullydirige un laboratorio de prototipos en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton PPPL del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE que se basa en el hecho de que los neutrinos pueden ser capturados por el tritio, un isótopo radiactivo de hidrógeno, y proporciona un pequeño impulso de energía a los electrones emitidosen decadencia de tritio.
Precisión nunca antes alcanzada
El prototipo tiene como objetivo medir esta pequeña energía extra con una precisión nunca antes lograda. La tarea, que se ha comparado con la detección de un latido cardíaco específico en una arena deportiva repleta, requerirá las condiciones más frías y oscuras posibles para evitar la interrupción de lo exquisitamenteinstrumentos sensibles. Si tiene éxito, el proyecto podría conducir a un nuevo experimento importante en PPPL para confirmar o reevaluar el modelo estándar del Big Bang y sus consecuencias.
El sistema de vanguardia, creado por el ingeniero de PPPL Charles Gentile y otro personal del laboratorio, consiste en un par de imanes superconductores unidos a los extremos opuestos de una cámara de vacío de 5 pies, con el segundo imán conectado a uncalorímetro que mide la energía de los electrones. Tully nombra el proyecto PTOLEMIA después del astrónomo griego del siglo II y como acrónimo de "Princeton Tritium Observatory for Light, Early-universe Massive-neutrino Yield". El apoyo proviene de subvenciones de $ 400,000 de la Fundación Simons en NuevaYork City y $ 330,000 de la John Templeton Foundation en Pennsylvania.
La caza comienza este verano
La caza de neutrinos Big Bang comenzará este verano después de varios años de preparación. Pronto llegará un ingrediente clave: 1/100 de un miligramo de tritio cargado en una hoja de grafeno del tamaño de un sello de correos, una capa de carbono soloun solo átomo de espesor. Este arreglo producirá un espectro limpio de descomposición del tritio cuando llegue del Laboratorio Nacional del Río Savannah bajo un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo aprobado por el DOE. PPPL manejará este tritio de manera segura de acuerdo con su Protección contra la Radiación aprobada por el DOEPrograma: El Laboratorio utilizó cantidades más altas de tritio como combustible, con el isótopo de hidrógeno deuterio, para experimentos de fusión realizados en su Reactor de Prueba de Fusión Tokamak de 1993 a 1997.
Los investigadores colocarán el grafeno cargado con tritio dentro del primer imán superconductor, cuya intensidad de campo es similar a los sistemas de resonancia magnética que utilizan los hospitales y clínicas. Este campo guiará los electrones desde la descomposición del tritio a la cámara de vacío vecina. Electrones de baja energíase filtrarán a medida que viajan a través de una serie de electrodos colocados dentro de la cámara de vacío a medida que el campo magnético primero cae en fuerza y luego se eleva nuevamente cuando los electrones ingresan al segundo imán, dejando solo los electrones de mayor energía para que el calorímetro los analice.
El instrumento más preciso de su tipo
El calorímetro será el instrumento más preciso de su tipo en el mundo. Se enganchará a un refrigerador de dilución configurado en 10 a 50 mili-Kelvin, una temperatura más de 50 veces más fría que el espacio profundo y una pequeña fracciónde un grado por encima del cero absoluto. El frío extremo mantendrá el calorímetro en equilibrio entre un estado superconductor, uno en el que los electrones pueden fluir sin resistencia, y un estado no superconductor que proporciona resistencia. Cuando un electrón con energía extra suministrada por neutrinosaparece, el calorímetro lo señalaría al volverse rápidamente resistivo.
Este refrigerador de dilución podría convertir al PPPL en uno de los lugares más calientes y fríos del sistema solar en los días en que se está ejecutando el National Spherical Torus Experiment-Upgrade NSTX-U, la instalación insignia recientemente completada del Laboratorio. El NSTX-U realiza habitualmente experimentos en el núcleo solar de 15 millones de grados Celsius o más, a medida que investiga las reacciones de fusión como la energía para generar electricidad.
Allanar el camino para un experimento mucho más grande
El proyecto PTOLEMY tendrá un objetivo principal: demostrar la capacidad de medir la masa de los neutrinos del Big Bang y así allanar el camino para un experimento mucho más grande, uno que explore la descomposición de 100 gramos de tritio ". Esperamostomar suficientes datos para medir el neutrino o al menos producir la medición más precisa del mundo utilizando técnicas de calorímetro para fines de 2017 ", dijo Tully sobre el prototipo.
El nuevo experimento grande probaría la teoría que predice que existen alrededor de 330 neutrinos Big Bang por centímetro cúbico en todo el universo. La PTOLEMIA ampliada contará la cantidad de electrones que los neutrinos han aumentado en energía para determinar si esta predicción es correcta.Confirmarlo validaría el pensamiento actual sobre la evolución del cosmos desde el Big Bang, mientras que refutarlo podría volcar el modelo y conducir a nuevas ideas.
El experimento ampliado podría tener otros efectos de largo alcance. Podría detectar los llamados neutrinos estériles, partículas hipotéticas del Big Bang que no tienen carga positiva o negativa y podrían ser la fuente de materia oscura invisible, que según los científicos representa el 20 por cientode la masa del universo.
Además de buscar neutrinos, el área en la que se encuentra PTOLEMY alberga equipos útiles para promover la misión central de colaboración del laboratorio de energía de fusión. Por ejemplo, los desarrolladores de ITER, el tokamak internacional en construcción en Francia, probarán un dispositivo de diagnóstico en unpoderoso imán al lado del sitio. El trabajo en PTOLEMIA en sí mismo atraerá a estudiantes graduados y pasantes de verano. Tully observa esas oportunidades mientras mira hacia el futuro. "Mi sueño es demostrar que medir la masa de neutrinos puede funcionar", dice, "y tener unhermosa foto de una nueva instalación importante que los ingenieros pueden construir "
PPPL, en el Campus Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, NJ, se dedica a crear nuevos conocimientos sobre la física de los plasmas gases ultra calientes y cargados y a desarrollar soluciones prácticas para la creación de energía de fusión. Resultados de PPPLLa investigación ha abarcado desde un detector portátil de materiales nucleares para uso antiterrorista hasta códigos informáticos empleados universalmente para analizar y predecir el resultado de los experimentos de fusión. El Laboratorio es administrado por la Universidad de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.Partidario único de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de física de plasma de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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