Ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Hunting for Big Bang neutrinos that could provide fresh insight on the origin of the universe

O φυσικός του Princeton, Chris Tully είναι ο επικεφαλής του πειράματος PTOLEMY. Princeton physicist Chris Tully in the PTOLEMY laboratory. Behind him are powerful superconducting magnets on either side of the vacuum chamber. (Photo by Elle Starkman/Office of Communications)

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει την ύπαρξη της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία συνίσταται από τα αρχέγονα φωτόνια που αποδεσμεύθηκαν από την ύλη 379.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Η ακτινοβολία αυτή ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά τυχαία από τους Penzias και Wilson το 1964, και αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 2,7 Kelvin, αποτελεί ένα από τα ισχυρότερα επιχειρήματα υπέρ της Μεγάλης Έκρηξης.

Η θεωρία προβλέπει επίσης την ύπαρξη του κοσμικού υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων από την εποχή της πληθωριστικής διαστολής του σύμπαντος, 10^-35 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη (δυστυχώς οι αρχικοί ισχυρισμοί της ομάδας BICEP περί έμμεσης ανίχνευσής τους, αποδείχθηκαν λανθασμένοι), αλλά και την ύπαρξη του κοσμικού υποβάθρου νετρίνων, της υπολειπόμενης ακτινοβολίας νετρίνων, τα οποία αποδεσμεύθηκαν από την ύλη περίπου 1 δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη.  Αυτά τα νετρίνα σκοπεύει να ανιχνεύσει για πρώτη φορά το πείραμα PTOLEMY (Princeton Tritium Observatory for Light, Early- Universe, Massive-Neutrino Yield) στο πανεπιστήμιο Princeton στις ΗΠΑ.

Neutrinos and their weird subatomic ways could help us understand high-energy particles, exploding stars and the origins of matter itself. A colorized image shows the tracks of neutrinos as they zoom into a chamber. Illustration based on Fermilab Bubble Chamber image.

Η κοσμική ακτινοβολία των νετρίνων συνίσταται από τα νετρίνα που περίσσεψαν από την Μεγάλη Έκρηξη τα οποία κυκλοφορούν μέχρι σήμερα ανάμεσά μας. 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 στο σύμπαν βίωνε την λεγόμενη εποχή της ακτινοβολίας, όταν η θερμοκρασία του ήταν 1010Kelvin (που ισοδυναμεί με ενέργεια περίπου 1 MeV). Σήμερα εξαιτίας της διαστολής και της αντίστοιχης ψύξης του σύμπαντος η θερμοκρασία στην οποία αντιστοιχούν τα αρχέγονα νετρίνα είναι 1,95 Kelvin και η μέση πυκνότητά τους είναι 340 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό ή 56 νετρίνα του ηλεκτρονίου ανά κυβικό εκατοστό.

Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια σχεδόν χωρίς μάζα και ανήκουν στην κατηγορία των λεπτονίων. Νετρίνα, εκτός από τα αρχέγονα της  Μεγάλης Έκρηξης, δημιουργούνται συνεχώς διαμέσου των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό άστρων όπως ο ήλιος, κατά την έκρηξη των σουπερνόβα, στις αντιδράσεις των πυρηνικών εργοστασίων και κατά τη διάρκεια των φυσικών ραδιενεργών διασπάσεων. Στο εσωτερικό του σώματός μας σε κάθε δευτερόλεπτο απελευθερώνονται περίπου 5000 νετρίνα εξαιτίας των ραδιενεργών διασπάσεων του καλίου. Τα νετρίνα καταλαμβάνουν τη δεύτερη θέση, όσον αφορά τον αριθμό σωματιδίων σε ολόκληρο το σύμπαν, μετά τα σωματίδια του φωτός τα φωτόνια, που καταλαμβάνουν την πρώτη θέση. Αλληλεπιδρούν με την ύλη πολύ σπάνια, μόνο διαμέσου των ασθενών δυνάμεων και για τον λόγο αυτό μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα ανθρώπους, τοίχους, ακόμη και πλανήτες ολόκληρους. Γι αυτό η ανίχνευσή τους είναι πολύ δύσκολη.

Steven Weinberg: 'If we had the laws of nature tomorrow, we still wouldn't understand consciousness – or even turbulence…' Photograph: Jeff Wilson

Ο Steven Weinberg ήταν ο πρώτος που υπέδειξε μια μέθοδο ανίχνευσης  των νετρίνων του κοσμικού υποβάθρου διαμέσου της αντίδρασης: ν_e +³H –> ³He + e^–

View of the dilution refrigerator that will lower temperature to a small fraction of a degree above absolute zero when connected. (Photo by Elle Starkman/Office of Communications)

Το πείραμα PTOLEMY που θα ξεκινήσει το καλοκαίρι, έχει ως στόχο τον προσδιορισμό του φάσματος των ηλεκτρονίων που παράγονται από την παραπάνω αντίδραση, διαμέσου του οποίου θα αποκαλυφθούν τα αρχέγονα νετρίνα. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο πείραμα είναι πρωτόγνωρες, είτε όσον αφορά τον στόχο τριτίου (τρίτιο ενσωματωμένο σε γραφένιο), είτε όσον αφορά την ανίχνευση των ηλεκτρονίων που πρέπει να διαχωριστούν από τα ηλεκτρόνια της ακτινοβολίας β του τριτίου.

Η επιτυχία του πειράματος θα έχει τεράστιες κοσμολογικές συνέπειες. Ενώ η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μας δείχνει πως ήταν το σύμπαν 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το κοσμικό  υπόβαθρο των νετρίνων θα μας πάει ακόμα πιο πίσω: ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη!

Πηγή: www.pppl.gov