Η Ασημίνα Αρβανιτάκη και ο Σάββας Δημόπουλος υποστηρίζουν ότι η Γη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ανιχνευτής για να εντοπιστούν αρχέγονα νετρίνα
Η μελέτη των πρώτων στιγμών του σύμπαντος μοιάζει λίγο με την αρχαιολογία. Περιλαμβάνει το σκάψιμο για την εύρεση λειψάνων που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη δημιουργία μιας πληρέστερης εικόνας του μακρινού παρελθόντος. Μεταξύ των «κοσμικών αρχαιολόγων» στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Perimeter είναι η Ασημίνα Αρβανιτάκη, που συνεργάζεται με τον Σάββα Δημόπουλο, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Stanford. Οι δυό τους διερευνούν τη δυνατότητα κατασκευής ενός «τηλεσκοπίου αρχέγονων νετρίνων» που θα μας αποκαλύψει την εικόνα του σύμπαντος ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
Το κοσμολογικό μας υπόβαθρο έχει ενσωματωμένα διάφορα είδη «απολιθωμάτων». Εκτός από το κοσμικό υπόβαθρο της μικροκυματικής ακτινοβολίας (Cosmic Microwave Background ή CMB) υπάρχει και το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων (CνB), που συνίσταται από τα νετρίνα που περίσσεψαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη και κυκλοφορούν μέχρι σήμερα ανάμεσά μας (όπως και τα φωτόνια της CMB). Το αρχέγονο σύμπαν περιείχε ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, φωτόνια και νετρίνα σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, πραγματοποιήθηκε η αποδέσμευση των νετρίνων από την ύλη καθώς το σύμπαν βίωνε την λεγόμενη εποχή της ακτινοβολίας, όταν η θερμοκρασία του ήταν 1010Kelvin. Σήμερα εξαιτίας της διαστολής και της αντίστοιχης ψύξης του σύμπαντος η θερμοκρασία στην οποία αντιστοιχούν τα αρχέγονα νετρίνα είναι περίπου 1,95 Kelvin και η μέση πυκνότητά τους είναι 340 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό ή 56 νετρίνα του ηλεκτρονίου ανά κυβικό εκατοστό. Το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων (CνB) περιέχει πληροφορίες για το σύμπαν έως ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
Στην εργασία τους με τίτλο «Cosmic neutrino background on the surface of the Earth» που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Physical Review D, μελετούν την συγκέντρωση αρχέγονων νετρίνων στην επιφάνεια της Γης, εξετάζοντας τα φυσικά φαινόμενα της ανάκλασης και διάθλασης των νετρίνων από την γήινη επιφάνεια. Με τον τρόπο αυτό υπολόγισαν κοντά στην γήινη επιφάνεια μια σημαντική τοπική ασυμμετρία νετρίνων-αντινετρίνων, που υπερβαίνει κατά πολύ την αναμενόμενη αρχέγονη ασυμμετρία λεπτονίων. Το γεγονός αυτό ενισχύει τη δυνατότητα ανίχνευσης του υπολείμματος των αρχέγονων νετρίνων από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης.
Τα νετρίνα φτάνουν στη Γη σε διάφορες ποικιλίες και από διάφορες πηγές. Υπάρχουν, για παράδειγμα, τα ηλιακά νετρίνα, που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης στον ήλιο. Υπάρχουν κοσμικά νετρίνα υψηλής ενέργειας, που παράγονται σε «κοσμικούς επιταχυντές», όπως οι μαύρες τρύπες και τα πάλσαρ. Και υπάρχουν τα αντινετρίνα του ηλεκτρονίου υψηλής ενέργειας, που ανιχνεύθηκαν από το Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube, το οποίο χρησιμοποιεί χιλιάδες αισθητήρες κάτω από τον πάγο της Ανταρκτικής. Αλλά τα νετρίνα της Μεγάλης Έκρηξης που ενδιαφέρουν την Αρβανιτάκη και τον Δημόπουλο έχουν πολύ μικρότερη ενέργεια – περίπου 20 τάξεις μεγέθους λιγότερη ενέργεια από τα σωματίδια υψηλής ενέργειας που ανιχνεύθηκαν από τον ανιχνευτή IceCube – και είναι τρομερα δύσκολο να εντοπιστούν.
Μια ομάδα που εργάζεται στο πείραμα PTOLEMY (Princeton Tritium Observatory for Light) προσπαθεί να χρησιμοποιήσει τρίτιο, ένα ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου, για να μετρήσει τα υπολείμματα νετρίνων από την Μεγάλη Έκρηξη. Η Αρβανιτάκη και ο Δημόπουλος αναζωογονούν μια προσέγγιση που στο παρελθόν θεωρούνταν αδύνατη. Πριν από περίπου 40 χρόνια, υπήρχαν δημοσιεύσεις που υποστήριζαν ότι η ανίχνευση των αρχέγονων νετρίνων χρησιμοποιώντας την ίδια τη Γη, ήταν αδύνατη. Τελικά φαίνεται πως υπάρχει τρόπος να ξεπεραστούν τα εμπόδια.
Μια διαφορά στην ισχύ της ασθενούς δύναμης για τα σωματίδια σε σχέση με τα αντισωματίδια οδηγεί σε ένα είδος ασυμμετρίας που δημιουργεί ένα «μποτιλιάρισμα νετρίνων» και την συσσώρευσή τους γύρω από την επιφάνεια της Γης.
Σε αυτή την προσέγγιση, η Γη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα είδος φακού που θα ενίσχυε τα φαινόμενα των αρχέγονων νετρίνων υποβάθρου από την Μεγάλη Έκρηξη. «Η Γη μας δίνει ό,τι χρειαζόμαστε δωρεάν», υποστηρίζει η Αρβανιτάκη, που έχει ειδικευθεί στην επινόηση πειραματικών ιδεών που θα μπορούσαν να οδηγήσουν τη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, με ένα ελάχιστο κλάσμα του οικονομικού κόστους των γιγάντιων επιταχυντών σωματιδίων που στοιχίζουν πολλά δισεκατομμύρια δολάρια.
Όποιος έχει παίξει με πρίσματα ξέρει για τη διάθλαση – την κάμψη του φωτός. Σύμφωνα με την Αρβανιτάκη, στις κατάλληλες συνθήκες, ακόμη και αυτά τα απόκοσμα αρχέγονα νετρίνα που κανονικά διασχίζουν την Γη, θα διαθλαστούν, όπως γίνεται με το φως όταν διέρχεται από ένα οπτικό μέσο σε ένα άλλο με διαφορετικό δείκτη διάθαλασης. Η ασυμμετρία μεταξύ των σωματιδίων και των αντισωματιδίων θα δημιουργούσε αποσβενύµενα κύματα νετρίνων και ένα «στρώμα νετρίνων» γύρω από τη Γη. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι αυτό το φαινόμενο θα εξακολουθούσε να είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί, αλλά η ανιχνευσιμότητά του εξαρτάται από την συχνότητα και την γωνία με την οποία τα νετρίνα προσπίτπουν στην επιφάνεια της Γης. Το φαινόμενο μπορεί να ενισχυθεί περισσότερο σε ορισμένες επίπεδες περιοχές της Γης, π.χ. όπως στις αλυκές της Βολιβίας.
Η εργασία των Αρβανιτάκη-Δημόπουλου υποδεικνύει νέες κατευθύνσεις για την ανίχνευση του κοσμικού υποβάθρου νετρίνων από τη Μεγάλη Έκρηξη, ένα φαινόμενο που απέχει πολύ από τις σημερινές δυνατότητες εντοπισμού του. Η ακτινοβολία υποβάθρου νετρίνων δημιουργήθηκε όταν το σύμπαν είχε ηλικία μόλις ένα δευτερόλεπτο. Η πειραματική ανακάλυψή του θα αποτελέσει ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά επιτεύγματα στην ιστορία της επιστήμης. Θα ανοίξει ένα παράθυρο για να δούμε πως ήταν το σύμπαν στο παρελθόν, πριν από σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια!
Διαβάστε περισότερες λεπτομέρειες στον ιστότοπο του Ινστιτούτου Perimeter άρθρο με τίτλο ‘Searching for relics of the big bang‘
Κατηγορίες:ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ
physicsgg 
Σχολιάστε