Podem veure els neutrins del Big Bang?

Els neutrins són omnipresents a l'Univers on superen en nombre els fotons de radiació fòssil i fins i tot, amb diferència, a les partícules de matèria ordinària. Molt difícils de detectar, tot i així estem intentant estudiar els del Big Bang.

Clic a l'imatge per engrandir. El físic de Princeton Chris Tully es troba al Ptolemy Lab del Princeton Plasma Physics Laboratory. Crèdit: Elle Starkman, PPPL Communications

Blàzars, forats negres gegants que acceleren els raigs còsmics  Això és una gran primícia! Els científics han aconseguit localitzar la font d'emissió llunyana d'un neutrí d'alta energia, aquesta partícula fantasma que generalment travessa la matèria sense interactuar amb ella. Quin és l'origen d'aquest neutrí? Com es va detectar? La resposta la trobareu al vídeo.

El CMB que ens arriba avui es va emetre, no només fa molt de temps, sinó també a moltíssima distància de la Via Làctia. El seu estudi il·lustra el fet que observar més i més a l'univers és com fer una cop d'ull cada cop més endins dels estrats de la història de l'espai-temps. També podem dir, per analogia, que en el cas del CMB, s'assembla des d'aquest punt de vista a intentar veure què passa sota la superfície del Sol. De fet, en algun moment d'aquest rebobinat en el temps, el cosmos es torna tan dens i calent que els àtoms no podrien existir, impedint que els fotons es moguin lliurement. Més enllà d'això, per tant, ens és impossible obtenir informació directa. L'univers és per a nosaltres, en certa manera, opac.

Veure-hi més a fons, és a dir, realment molt més abans, és possible mitjançant l'ús d'altres missatgers i altres astronomies.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Antoine Kouchner i Stéphane Lavignac recorren la fascinant història del neutrins i ens presenten els grans experiments dedicats a aquest missatger d'allò infinitament gran i infinitament petit en un llibre publicat per Dunod i acompanyat d'aquest vídeo de presentació. Antoine Kouchner és professor de la Universitat Diderot de París i director del laboratori d'AstroPartícules i Cosmologia. També és responsable científic de la Col·laboració Internacional Antares que opera el primer telescopi de neutrins submarí, el successor del qual, KM3NeT, està en construcció al Mediterrani. Stéphane Lavignac és físic del CNRS i desenvolupa la seva recerca a l'Institut de Física Teòrica de Saclay.

Malgrat això, passa que aproximadament un segon després de l'inici de l'univers observable, en el model estàndard de cosmologia relativista, la temperatura del cosmos era de 10.000 milions de graus i la seva densitat era comparable a la de l'aigua. L'univers contenia una sopa de leptons, fotons i sobretot protons i neutrons transformant-se els uns en els altres absorbint i emetent... neutrins (aquelles partícules fantasmals l'existència de les quals havia estat predita a la dècada de 1930 pel físic Wolfgang Paulii la primera teoria del qual va ser desenvolupada per Enrico Fermi). Per sota d'aquest llindar de temperatura, que correspon a energies per als neutrins de l'ordre d'1 MeV, van deixar d'interaccionar amb els nucleons eventualment per escampar-se lliurement per l'espai.

Astronomia de neutrins, una finestra a l'univers primerenc
                     
Hi ha per tant, a més del fons difús cosmològic de fotons, una radiació còsmica de neutrins que ens donaria accés directe -si es pogués observar, mesurar i cartografiar a una imatge de l'estat de l'univers quan només eren uns pocs segons com a màxim. Aquest fons còsmic de neutrins (fons de neutrins còsmics, ja sigui CNB o CVB, llegiu C-nu-B), el podem observar indirectament a través dels seus efectes sobre la radiació fòssil com han demostrat les anàlisis recents de mesures de la missió Planck.

Però destacar-lo directament representa un repte tecnològic que els membres del Laboratori de Física del Plasma de Princeton (PPPL) intenten fer front mitjançant el projecte Ptolemy (Observatori de triti de Princeton per a la llum, el rendiment massiu de neutrins de l'univers primerenc).

De fet, els neutrins interactuen molt feblement amb la matèria quan tenen poca energia. Certament, hi ha més neutrins fòssils que fotons fòssils al cosmos. Fins i tot s'estima que n'hi ha uns 450 per cm³. Però a causa de l'expansió de l'univers i el seu refredament, la temperatura mitjana del CNB avui és només d'1,95 kelvin, una mica més freda que la del CMB (2,725 K). Per tant, estem lluny dels 10.000 milions de Kelvin inicials. A una temperatura tan baixa, els neutrins cosmològics semblaven, per a molts, esmunyedissos, ja que podien creuar de mitjana, per a cadascun d'ells, un bloc de ferro d'un any llum d'espessor!

Clic a l'imatge per engrandir. Vista del prototip de l'experiment de Ptolemy, el nom anglès del famós astrònom antic Ptolemeu. Finalment, utilitzarà 100 g de triti. Crèdit: Elle Starkman, PPPL Office of Communications.

Això sense comptar amb el progrés dels detectors de partícules utilitzant el fenomen de la superconductivitat així com amb els descobriments de les nanociències. La idea bàsica és que aquests detectors que absorbeixen una partícula que hi diposita energia s'escalfen localment i després deixen d'estar en un estat de superconductor. Això es manifesta amb un brusc salt de la resistència en un dels sensors del dispositiu.

L'experiment Ptolemeu consistirà a utilitzar aquest tipus de calorímetre per mesurar l'energia dels electrons emesos per la desintegració dels nuclis de triti dipositats sobre una làmina de grafè. La teoria de la de desintegració beta per aquest isòtop ben conegut de l'hidrogen implica que els electrons emesos no poden tenir una energia superior a un valor ben determinat. Seleccionant amb l'ajuda d'un camp magnètic, els electrons més energètics emesos pels nuclis de triti, és possible mesurar les seves energies amb un calorímetre superconductor refrigerat a una temperatura inferior a 0,1 K. Encara segons la teoria de la interacció electrofeble a la base de la de la desintegració beta, sabem que aquestes els electrons tenen una baixa probabilitat d'absorbir una part de l'energia dels neutrins del CNB. Alguns d'ells dipositaran doncs, al calorímetre, més energia de la que és teòricament possible en absència de col·lisió amb un neutrí si el sistema està prou protegit pels efectes d'un soroll de fons provocat per partícules diferents dels neutrins.

En definitiva, la distribució de les energies d'electrons mesurades per Ptolemeu hauria de mostrar la presència d'almenys un pic (un augment de la resolució mostraria tres pics associats als tres tipus de neutrins del model estàndard) per sobre del valor màxim de les energies dels electrons resultants de la desintegració beta dels nuclis de triti. L'experiment hauria de permetre mesurar indirectament les característiques dels neutrins cosmològics, com ara les seves masses i la seva densitat.

En augmentar la quantitat de triti fins a 100 grams, l'experiment de Ptolemeu es farà més sensible i potser després permetrà destacar neutrins estèrils, fermions de Majorana, en el supòsit que realment constituirien una part no negligible de la matèria fosca. Això també podria proporcionar una clau per resoldre l'enigma de l'antimatèria cosmològica.

 

Ho he vist aquí.