Todas las cosas materiales parecen estar hechas de partículas elementales que se mantienen unidas por fuerzas fundamentales. ¿Pero cuáles son sus propiedades exactas? ¿Cómo afectan cómo se ve y cambia nuestro universo? ¿Y hay partículas y fuerzas que no conocemos?de todavía?
Las preguntas con implicaciones cósmicas como estas impulsan muchos de los esfuerzos científicos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía. Tres distinguidos físicos de partículas se han unido al laboratorio en los últimos meses para realizar investigaciones sobre dos formas de materia particularmente misteriosas: los neutrinos y la oscuridad.importar.
Los neutrinos, que se producen abundantemente en reacciones nucleares, se encuentran entre los tipos de partículas más comunes en el universo. Aunque se descubrieron hace 60 años, sus propiedades básicas desconciertan a los científicos hasta la fecha.
Alexander Friedland, científico senior del Grupo de Teoría de Física de Partículas Elementales de SLAC, trabaja en técnicas que allanan el camino para futuros análisis de explosiones de neutrinos de supernovas. Estudiar los detalles de estas poderosas explosiones estelares ayuda a los científicos a comprender cómo las estrellas moribundas escupen químicoselementos en el espacio profundo.
Natalia Toro y Philip Schuster, profesores asociados de física de partículas y astrofísica en SLAC, buscan algo aún más enigmático. Desarrollan ideas para experimentos que buscan partículas ocultas y fuerzas vinculadas a la materia oscura, una forma invisible de materia que es cincoveces más frecuente que la materia ordinaria.
"Alex, Natalia y Philip son adiciones significativas a la familia SLAC, cuya destacada experiencia fortalece enormemente nuestra investigación en áreas de prioridad nacional", dice JoAnne Hewett, jefa de la División de Física de Partículas Elementales del laboratorio. La física de neutrinos y la investigación de materia oscura sonentre los cinco impulsores de la ciencia de la física de partículas en los EE. UU. identificados en 2014 por el Panel de priorización del Proyecto de física de partículas.
Neutrinos de todo el país y de toda la galaxia
Uno de los principales proyectos de neutrinos con participación de SLAC es el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos DUNE en la planta de neutrinos de línea de base larga planificada LBNF, el experimento de neutrinos emblemático del mundo para la próxima década y más allá. Los investigadores enviarán unhaz de neutrinos producido en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi en Illinois a la Instalación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Después de viajar 800 millas a través de la Tierra, el Detector Lejano DUNE detectará algunos de estos neutrinos, que eventualmente consistirán en cuatro módulos de 10,000 toneladasde argón líquido ubicado a 4,850 pies bajo tierra.
El "ojo" ultrasensible de neutrinos medirá cómo los tres tipos conocidos de neutrinos, llamados sabores, y sus antipartículas se transforman de uno a otro durante su viaje subterráneo. Este estudio proporcionará información crucial sobre las masas relativas de sabores de neutrinos y la posibilidadque los antineutrinos se comportan de manera diferente a los neutrinos, lo que podría ayudar a explicar por qué el universo está hecho de materia en lugar de antimateria. El experimento también dará seguimiento a los indicios de que puede haber más de tres sabores de neutrinos en la naturaleza.
"Para ayudar a DUNE a alcanzar su máximo potencial, mi trabajo aborda una serie de preguntas fundamentales", dice Friedland, el primer teórico de neutrinos de SLAC, que se unió al laboratorio en el verano de 2015. "¿Cómo se pueden incorporar neutrinos adicionales en nuestras teorías?¿Existen también fuerzas adicionales? ¿Existe un vínculo entre los neutrinos y la materia oscura? ¿Cómo interactúan los neutrinos con los núcleos atómicos en el material del detector? "
Además de los neutrinos de Fermilab, DUNE también podrá detectar explosiones de neutrinos muy breves de supernovas: explosiones potentes de estrellas masivas con núcleos que ya no pueden resistir la gravedad y colapsar para formar estrellas de neutrones densas.
"Tal explosión debería ser una prueba exquisita de las propiedades de los neutrinos", dice Friedland. "Nuestro objetivo es comprender cómo leer la señal y optimizar nuestro detector para ella".
Las explosiones de supernovas son eventos importantes en el universo. Inyectan elementos químicos, sintetizados dentro de las estrellas a lo largo de su vida, en el espacio, incluidos elementos cruciales de la vida. Friedland espera que los datos de DUNE revelen detalles nunca antes vistos en las explosiones de neutrinos relacionadaseso podría abrir una ventana a los procesos dentro de las estrellas moribundas.
"Nuestros cálculos muestran que esas señales de neutrinos tienen una cierta estructura de tiempo que está vinculada a lo que está sucediendo en la estrella", dice. "Medir estos detalles minuciosos podría ayudarnos a comprender las diferentes etapas de una supernova, desde el colapso deel núcleo de la estrella a la propagación externa de poderosas ondas de choque "
Tal análisis detallado solo se puede hacer mirando a los neutrinos. A diferencia de otras partículas, que con frecuencia interactúan con su entorno al salir de la estrella y, por lo tanto, llevan la huella de este entorno complicado, los neutrinos fluyen casi sin molestias y entregan información directasobre los procesos en los que fueron liberados.
"Las supernovas se disparan sin previo aviso, y las detectables no ocurren muy a menudo", dice Friedland, quien codirige el grupo de trabajo de supernovas DUNE. "Aunque la próxima explosión de neutrinos de supernova puede estar a una década o más de distancia, ¿qué ocurrirá?ser visto entonces se ve afectado por decisiones cruciales sobre el diseño del detector realizado ahora. Mi trabajo es asegurarme de que estemos preparados ".
Según SL, el SLAC proporciona un entorno único para la búsqueda de esta línea de investigación. "El laboratorio está construyendo un programa sólido de neutrinos, con experimentadores y teóricos trabajando en estrecha colaboración", dice. "También une una serie de disciplinasbajo un mismo techo que se estimulan y complementan entre sí, desde la física de partículas hasta la astrofísica y la informática ".
Antes de venir a SLAC, Friedland estaba en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, primero como becario Richard P. Feynman y luego como científico del personal. Recibió su doctorado en física de la Universidad de California, Berkeley en 2000 y realizó investigación postdoctoral enInstituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, de 2000 a 2002. Además de los neutrinos, los estudios de Friedland analizan fuerzas ultra débiles desconocidas en la naturaleza, dimensiones adicionales más allá del espacio y el tiempo y el efecto de las partículas postuladas en la evolución de las estrellas.
Buscando 'Light Dark Matter'
Otra pregunta candente que los investigadores de todo el mundo anhelan responder es: ¿Qué es la materia oscura? Con el 85 por ciento de toda la materia en el universo siendo oscura, esta sustancia invisible tiene una tremenda influencia en la evolución del cosmos. Aunque los científicos saben que la materia oscuraexiste porque tira gravitacionalmente de la materia ordinaria, todavía tienen que descubrir de qué está hecha.
En SLAC, Natalia Toro y Philip Schuster buscan sectores oscuros enteros de partículas hipotéticas y fuerzas que podrían estar vinculadas a la materia oscura.
"Trabajamos en una serie de experimentos a pequeña escala que tienen una oportunidad real de descubrir qué es la materia oscura o no", dice Schuster. "A diferencia de la mayoría de las búsquedas de materia oscura, que se centran en partículas bastante masivas, nosotrosbusque unos mucho más ligeros, en un rango de masa que esté sorprendentemente inexplorado "
Los investigadores participan en dos experimentos que buscan materia oscura clara en el Centro Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson en Virginia: la Búsqueda de fotones pesados HPS, para la cual los científicos desarrollaron el marco teórico y el Experimento A Prime APEX,que lideran conjuntamente. Ambos experimentos esperan vislumbrar fotones oscuros, portadores hipotéticos de una nueva fuerza, que podrían producirse cuando los poderosos haces de electrones chocan contra un objetivo. Toro y Schuster también son miembros de una colaboración quepropuso un tercer experimento en Jefferson Lab para buscar materia oscura, el Beam Dump Experiment BDX.
También se podrían realizar búsquedas similares en SLAC una vez que se complete la actualización al láser de rayos X de Linac Coistent Light Source LCLS del laboratorio, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. El futuro LCLS-II producirá rayos X a partir deuna secuencia rápida de racimos de electrones, hasta un millón por segundo, que volará a través del acelerador lineal de partículas de la instalación.
"Estamos desarrollando ideas para un experimento que usaría la corriente oscura del haz de electrones de LCLS-II", dice Toro. "Esta es una pequeña cantidad de electrones no utilizados entre los grupos principales que podríamos extraer y disparar a los objetivospara búsquedas de materia oscura clara "
Una propuesta basada en este concepto es el Light Dark Matter Experiment LDMX, cuya joven colaboración está dirigida por investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara, la Universidad de Minnesota y SLAC.
Por el momento, el uso parasitario de LCLS-II es solo una idea, pero Toro y Schuster ya se han asociado con miembros de la Dirección del Acelerador de SLAC para pensar cómo podrían diseñarse estos experimentos y, lo más importante, operar sin interferir conOperaciones con láser de rayos X. Juntos están explorando la posibilidad de una instalación futura para Experimentos del Sector Oscuro en LCLS-II DASEL.
"El laboratorio tiene una cultura única de colaboraciones vibrantes", dice Toro. "Crea un entorno ideal para llevar a cabo nuestros proyectos de principio a fin. Aquí podemos establecer los fundamentos teóricos, trabajar en los aspectos de ingeniería y convertirlosen experimentos exitosos, todo en un solo lugar "
El equipo de marido y mujer se unió a la facultad de SLAC el 1 de diciembre de 2015. Además de su trabajo en sectores oscuros, la pareja comparte una variedad de otros intereses de investigación, como la búsqueda de nueva física en los datos del Gran HadronCollider en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, y haciendo teorías que apuntan a comprender mejor el giro de las partículas sin masa.
"Es genial compartir su pasión por los aspectos más básicos de la naturaleza también fuera del trabajo", dice Schuster. "Amplificamos la emoción del otro y nos mantenemos en altos estándares. Además de eso, también es muy divertidoemprender aventuras de investigación salvaje y explorar nuevos lugares juntos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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