7 grandes experimentos que aún no han encontrado el deseado

Detector de neutrinos Super Kamiokande

Un científico experimental es a menudo una profesión desagradecida. Lees noticias sobre experimentos que terminaron con grandes descubrimientos, pero pocos han oído hablar de intentos, a menudo heroicos, de experimentadores que aún no han descubierto u observado para qué fueron hechos.

Algunos de los intentos han estado ocurriendo durante décadas y ven el cambio de generaciones de personas, consideran sus horas de trabajo y experiencia. Sin embargo, la ausencia de un resultado a veces tiene el mismo significado científico que cualquier descubrimiento anunciado: aprendemos sobre lo que el mundo real no es, o sobre lo que no está en él. Por otro lado, recibir algún tipo de respuesta positiva de cualquiera de estos experimentos tendría consecuencias de largo alcance para nuestra comprensión del Universo y nuestro lugar en él.

Le ofrecemos una lista de siete experimentos en curso, que aún no han encontrado el deseado. Todos ellos son increíbles en su genio y ambición. No es sorprendente que intenten continuar y apoyarlos.

Para arrojar luz sobre la materia oscura, entierra un tanque de xenón líquido en el suelo

Los científicos han presentado la teoría de que los filamentos de materia oscura forman un cierto esqueleto en el que se encuentran todas las galaxias que vemos. Cada uno de ellos está rodeado por un halo de materia oscura, que proporciona gravedad adicional que explica cómo las estrellas giran alrededor de los centros galácticos. Pero todavía tenemos que descubrir la materia oscura directamente. Aunque se han hecho muchos intentos en las últimas décadas para detectar la materia oscura a través de interacciones extremadamente débiles con la materia ordinaria, todos fallaron.

Entre las diversas formas que la materia oscura es capaz de tomar, las llamadas Las partículas masivas que interactúan débilmente (Weimly Interacting Massive Particles, WIMPs) representan una de las oportunidades más interesantes para los especialistas en física de partículas. El experimento LUX , ubicado a más de un kilómetro bajo tierra en una antigua mina en Dakota del Sur, ayudó a elevar el listón por no detectar WIMPs muy alto. El equipo es un depósito con 72,000 toneladas de agua de alta pureza que filtra los rayos cósmicos espurios. En su interior hay un tercio de una tonelada de xenón líquido, rodeado de sensores lo suficientemente sensibles como para detectar la luz emitida como resultado de una colisión de materia oscura con átomos de xenón.

El fracaso de LUX en detectar cualquier rastro de materia oscura condujo a la actualización de LUX-Zeplin, un experimento que usa casi 20 veces más xenón líquido que LUX. ¿Encontrará el nuevo experimento algo donde el LUX no pueda hacer esto? El tiempo lo dirá. Aparentemente, a la naturaleza le gusta burlarse de las esperanzas y expectativas de los científicos.

Para ver realmente las ondas gravitacionales sobrantes del Big Bang, estudie diferentes frecuencias

Las ondas gravitacionales (el análogo gravitacional de la radiación electromagnética o luz) desde el momento del Big Bang deberían haber dejado una marca única en la radiación relicta observada por nosotros en todas las direcciones y se fueron después de la explosión que creó el Universo observable. Demuestra pequeñas fluctuaciones de temperatura y polarización, proporcionándonos una fotografía del campo gravitacional al mismo tiempo, cuando el Universo tenía 379,000 años, cuando se formaron los primeros átomos de hidrógeno neutros. Esta traza debe ser una imagen polarizante giratoria, cuyo término técnico es los modos B.

La alegría causada por el anuncio del descubrimiento de tales B-mods realizada en 2014 por BICEP / Keck resultó ser prematura. Lo que parecían ser ondas gravitacionales primarias resultaron ser partículas de polvo polarizadas en altas latitudes galácticas, capaces de simular la misma imagen polarizante giratoria que las ondas gravitacionales deberían demostrar.

A pesar de esto, el grupo BICEP se actualizó a la configuración BICEP3 , que consiste en una matriz de 2500 sensores (bolómetros) diseñados para monitorear la radiación reliquia a frecuencias mucho más bajas que su versión anterior. Diez años de observaciones utilizando diferentes versiones del telescopio BICEP no condujeron al descubrimiento de modos B de ondas gravitacionales primarias, pero la búsqueda no se detendrá: la competencia para detectarlas primero solo se está calentando.

Para averiguar si se combinan fuertes interacciones nucleares y de electrodébil, busque un "pop supersónico" a la luz

El modelo estándar de la física de partículas es la culminación de décadas de interacción entre la teoría y el experimento, desde el nacimiento de la mecánica cuántica hasta la suposición de que la interacción nuclear débil (responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva) y el electromagnetismo son aspectos diferentes de una interacción de "electrodébil". Las interacciones electromagnéticas y débiles solo nos parecen diferentes en la escala de un experimento de laboratorio típico, ya que el campo de Higgs , que da masa a las partículas que interactúan con él, oculta la simetría inherente a estas dos interacciones.

En el modelo estándar, hay una interacción nuclear más fuerte, que debería unirse con el electrodébil en las energías un billón de veces más altas que las que podemos lograr en el CERN, en la "Gran Unificación". Una de sus predicciones es que el protón deja de ser estable y puede descomponerse en otras partículas, piones y positrones , aunque rara vez es suficiente, de modo que la vida media puede ser más de cien billones de billones de veces la de la edad actual del universo.

Super Kamiokande , y la actualización prevista, Hyper Kamiokande , se encuentra a un kilómetro debajo de la montaña en el laboratorio de Kamioka en el centro de Japón. Este experimento busca, entre otras cosas, signos de descomposición de protones extremadamente raros en tamaños poco realistas de tanques de agua ultrapura. Escaneando el espacio en busca de destellos de luz tenues, conocidos como radiación de Cherenkov, el equivalente óptico del pop supersónico, Super Kamiokande está buscando partículas con alta energía en las que se descompone el protón.


Radiación de Cherenkov en el núcleo de un reactor de prueba avanzado en el Laboratorio Nacional de Idaho

Nada se ha descubierto hasta ahora. Pero Hyper-Kamiokande, cuya sensibilidad planificada será 10 veces mayor, debería comenzar las observaciones ya en 2020.

Para verificar la supersimetría, sondee el neutrón

El modelo estándar de física de partículas predice que un neutrón, que, junto con un protón, constituye el contenido de un núcleo atómico, tiene un momento dipolar eléctrico (EDM) extremadamente pequeño, una distancia fija que separa dos cargas opuestas. Debido a su pequeño tamaño, lo más probable es que aún no se haya descubierto. Pero las teorías que complementan el Modelo Estándar con supersimetría , una equivalencia hipotética de interacciones y materia, generalmente predicen EDM, 100,000 veces más de lo que SM predice.

Al introducir restricciones en la magnitud del EDM de neutrones, es posible verificar si la supersimetría está presente en la naturaleza mediante un método más riguroso que el que se puede lograr acelerando las partículas en los colisionadores. El experimento CryoEDM solo está tratando de hacer esto en el Instituto Laue Langevin en Grenoble, Francia. Al observar la diferencia en la precesión del giro de neutrones muy lentos, es decir, al cambiar la orientación del eje de rotación, en presencia de campos magnéticos y eléctricos, puede medir con precisión el EDM de neutrones, si lo hay, ya que la velocidad de precesión depende de su presencia.

Cuando CryoEDM alcance su sensibilidad calculada, podrá excluir o confirmar la presencia de supersimetría. La observación de EDM será una prueba tentadora de la presencia de supersimetría en la naturaleza, ya que el valor predicho por el Modelo Estándar es demasiado pequeño para detectarlo con la sensibilidad actual de los experimentos.

Eche un vistazo a la gravedad para notar dimensiones adicionales.

Si existen dimensiones adicionales, pueden afectar el funcionamiento de la gravedad a distancias muy pequeñas. No solo implican desviaciones de la ley habitual de los cuadrados inversos de la gravedad newtoniana, sino que también implican la existencia de nuevas fuerzas que actúan a distancias cortas comparables a la gravedad, violando la llamada principio de equivalencia El principio postula que toda la materia, la bala de cañón, la manzana, cae igualmente en un campo gravitacional dado. Y las características de las dimensiones adicionales son que los campos que controlan el tamaño de las dimensiones adicionales imitan la gravedad, pero solo a distancias muy cortas, y al mismo tiempo actúan de manera diferente en diferentes tipos de materia.


Los científicos han sugerido que las mediciones adicionales pueden tomar la forma de una variedad Calabi-Yau de 6 dimensiones, lo que llevó a la idea de la simetría de espejo

Aunque la teoría general de la relatividad de Einstein ha sido rigurosamente probada en escalas desde el sistema solar hasta el universo, los investigadores apenas han comenzado a probarla en escalas submilimétricas.

Utilizando escalas de torsión calibradas con precisión, el grupo de colaboración Eöt-Wash (llamado así por el barón von Eötvös, que realizó los primeros experimentos de este tipo a principios del siglo XX y la ciudad de Washington) de la Universidad de Washington está buscando violaciones del principio de equivalencia, además de las desviaciones de la ley cuadrados inversos: en escalas que se aproximan a la 100.000 de un metro. Hasta el momento, no se han encontrado modificaciones para las leyes de Newton o el principio de equivalencia, lo que sugiere que si existen mediciones adicionales, están en el estado plegado mucho menos que unas pocas décimas de micrón.

Para observar los "siglos oscuros" cosmológicos, sintonice una señal de radio débil

Hubo una era en la historia del Universo sobre la que se sabe relativamente poco: estos son los llamados siglos oscuros. Esta es la era después de la recombinación, después de que se formaron los primeros átomos de hidrógeno neutros, y antes de que las primeras estrellas comenzaran a brillar.

El átomo de hidrógeno en sí no irradia nada especial. Pero, como un planeta que orbita alrededor del Sol, que también gira alrededor de su eje, un solo electrón que orbita un núcleo de hidrógeno "gira" alrededor de su eje, que se dirige en la misma dirección u opuesta en relación con su movimiento orbital. En el último caso, tiene menos energía.

Una pequeña parte de hidrógeno neutro, iluminado por radiación residual en las edades oscuras, se excitó y se convirtió en un estado con mayor energía y la misma directividad. Y después de la transición de estos átomos excitados a un estado de baja energía con una configuración multidireccional, emiten una señal a una frecuencia de 1.4 GHz, que corresponde a una señal de radio muy débil con una longitud de onda de 21 cm. La detección de la radiación de fondo de 21 cm nos permitirá observar las edades oscuras .

La matriz de baja frecuencia ( LOFAR ) es una matriz de 20,000 antenas de fase ubicadas en Europa (la mayoría de los Países Bajos), que se asoma al espacio desde 2012 con la esperanza de detectar esta señal débil. Pero la Tierra y la Galaxia en la que se encuentra son lugares muy ruidosos, y hasta ahora no hemos podido detectar una señal de la edad oscura que supere el ruido local. Se están realizando planes ambiciosos para crear la matriz internacional de la matriz de kilómetros cuadrados ( SKA ), pero hasta ahora las edades oscuras siguen siendo oscuras.

Para encontrar extraterrestres, simplemente no dejes de escuchar

El descubrimiento de evidencia convincente de la existencia de una vida inteligente diferente en el Universo será un punto de inflexión en la vida de nuestra civilización. Los esfuerzos colectivos, que consisten en una gran cantidad de experimentos, tenían como objetivo buscar señales extraterrestres de civilizaciones inteligentes casi tanto como la radio. La idea es que las señales de radio artificiales se pueden distinguir de las fuentes naturales (astrofísicas), debido a su rango de frecuencia estrecho y la naturaleza repetitiva, como es el caso de las transmisiones de radio humanas. Un candidato seductor para tal señal fue descubierto en 1977, aunque no se ha visto desde entonces, y no se puede descartar la posibilidad de su origen natural.


El Observatorio de Arecibo en Puerto Rico participa en la búsqueda de inteligencia extraterrestre

El experimento SETI (Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre) se lleva a cabo utilizando varios radiotelescopios, incluido el Conjunto de Antenas de Allen , que recientemente ha sido equipado con tecnología comúnmente utilizada para buscar exoplanetas. Los científicos también la prepararon para buscar posibles megaestructuras alienígenas, cuya existencia fue sugerida por el físico Freeman Dyson. Las civilizaciones desarrolladas pueden construir tales estructuras para recolectar directamente la energía estelar. Y a pesar de que durante décadas no se descubrió nada, la búsqueda colectiva de inteligencia extraterrestre ahora está mejor equipada que nunca. Toman medidas con respecto a la preocupación de Arthur Clark, expresada por él en la famosa frase: “Hay dos posibilidades: estamos solos en el Universo o no. Ambos son igualmente aterradores ".