Throwback Thursday: A última grande previsão do Big Bang
Crédito da imagem: Tom Gaisser, University of Delaware (pela colaboração IceCube), via NSF.
Todas as previsões que já foram feitas foram verificadas, exceto uma.
Essas observações de neutrinos são tão emocionantes e significativas que acho que estamos prestes a ver o nascimento de um ramo inteiramente novo da astronomia: a astronomia de neutrinos. -John Bahcall
Se você tem vindo aqui nos últimos seis anos e contando, você sabe sobre a grande explosão . Sim, a grande maioria das galáxias que conhecemos está se afastando de nós, mas há mais do que isso; em média, quanto mais distante cada indivíduo está de nós, mais mais rápido parece estar recuando.
Crédito da imagem: ESA/Hubble, NASA e H. Ebeling.
Quando olhamos através dessas grandes distâncias para essas galáxias se movendo em velocidades fantásticas, também estamos olhando para o Universo quando era diferente do que é hoje. Como a velocidade da luz é finita, você está realmente olhando para essas galáxias como elas existiam no passado distante. Uma vez que todas as galáxias estão se expandindo umas das outras, e as galáxias mais distantes estão se expandindo a um ritmo mais rápido, isso levou à ideia de que o Universo era menor, mais denso e também mais quente no passado .
Crédito da imagem: James N. Imamura da U. of Oregon.
Voltando no tempo, porque o Universo era mais quente, já foi tão quente que os átomos neutros não conseguiam nem se formar: tudo era um mar de plasma ionizado, cheio de núcleos, elétrons e radiação. (Quando o Universo esfriou para formar átomos neutros, isso é de onde vem o fundo cósmico de microondas .)
Voltando ainda mais para trás, você pode imaginar um Universo tão quente que nem mesmo os núcleos atômicos conseguem se manter unidos contra o intenso banho de radiação; um fóton de energia alta o suficiente irá destruí-los em prótons e nêutrons livres.
Crédito da imagem: eu, modificado de Lawrence Berkeley Labs.
Foi, de fato, quando aquela época terminou , e o Universo esfriou o suficiente para que os fótons não podia explodir esses núcleos, que começamos a formar elementos mais pesados pela primeira vez na história do Universo; essa assinatura restante é mais uma das grandes confirmações do Big Bang .
Mas indo ainda mais longe do que isso, podemos encontrar uma época em que a radiação no Universo era tão quente que todas as partículas que existem , juntamente com suas antipartículas, seriam criados espontaneamente em pares partícula-antipartícula devido a essas inevitáveis colisões de alta energia.
Crédito da imagem: James Schombert da Universidade de Oregon.
Isso inclui todos os pares de quarks/antiquarks, todos os pares de léptons/antiléptons, todos os glúons e fótons e os bósons fracos, até mesmo o Higgs, e quaisquer partículas adicionais, até então desconhecidas, que possam existir em energias ainda mais altas do que entendemos atualmente. Quando todo o Universo observável - agora com quase 100 bilhões de anos-luz de diâmetro - foi comprimido em um espaço menor que um único ano-luz de diâmetro, esses pares de partículas/antipartículas existiam em grande abundância, criando e aniquilando espontaneamente em um (aproximadamente ) Estado de equilibrio.
Crédito da imagem: eu.
A quantidade de Tempo que o Universo estava nesse estado era muito curto - menos de um segundo - mas nessas densidades e energias, a taxa de interação é mais do que grande o suficiente para que tudo isso aconteça espontaneamente.
Mas – como você pode ver claramente – esse estado de equilíbrio não dura muito tempo. À medida que o Universo se expande, ele também esfria (e, portanto, sua temperatura cai), e torna-se cada vez mais difícil fazer novos pares partícula-antipartícula. Enquanto isso, os existentes continuarão a se aniquilar em fótons, ou partículas de luz. Eventualmente, a chance de aniquilação – dependendo de sua seção transversal – cairá para um valor tão baixo que o que quer que exista naquele momento será efetivamente congelado, e enquanto essa partícula estiver estável contra o decaimento, ela continuará existindo para o dia de hoje.
Conhecemos três dessas espécies de partículas (e suas antipartículas) que fazem isso: os neutrinos !
Crédito da imagem: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab), modificado por mim.
Vindo em três sabores para combinar com os três tipos de lépton – elétron, múon e tau – estas são as partículas mais leves e de menor massa conhecidas por realmente terem uma massa diferente de zero. O limite superior da massa do neutrino mais pesado ainda é mais de 4 milhões de vezes mais leve do que o elétron, a próxima partícula mais leve.
Crédito da imagem: Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/ .
E, no entanto, os neutrinos têm uma seção de choque dependente de energia que se torna extremamente pequeno em energias mais baixas. Quando o Universo tem cerca de um segundo de idade, os neutrinos e anti-neutrinos param de interagir uns com os outros e simplesmente continuam a perder energia e esfriar com a expansão do Universo. Você deve se lembrar que isso é a mesma coisa que os fótons fazem quando os átomos neutros são formados, que é de onde vem o fundo cósmico de micro-ondas.
Crédito da imagem: NASA/GSFC, via http://asd.gsfc.nasa.gov/archive/arcade/cmb_spectrum.html .
Só que os neutrinos são ligeiramente diferentes dos fótons. Mesmo que eles tenham as menores massas de qualquer coisa que conhecemos, porque sabemos de onde eles vêm (e como era o Universo quando eles pararam de interagir), sabemos que eles não fazem isso. exatamente a mesma coisa. O fundo cósmico de micro-ondas (CMB) dos fótons tem um espectro de energia como o acima, com um pico a uma temperatura de 2,725 Kelvin.
O cósmico neutrino o fundo deve ter uma temperatura um pouco mais baixa em 1,96 Kelvin (porque os elétrons/pósitrons ainda não foram aniquilados; é por isso que o CMB é um pouco mais quente), e deve haver um pouco menos deles do que fótons; cerca de 82% como muitos. (336 por centímetro cúbico, com todas as três espécies e antineutrinos incluídos também, em comparação com 411 por centímetro cúbico para fótons). neutrinos tem massa de repouso !
Image credit: Hiroshi Nunokawa, of Braz. J. Phys. vol.30 no.2 São Paulo June 2000.
Essa massa, por menor que seja, ainda é ampla em comparação com a quantidade de energia que corresponde à energia térmica que sobrou do Universo primitivo. Dependendo de sua massa (lembre-se, ainda há alguma incerteza), eles estão se movendo a não mais do que alguns milhares de km/s hoje, e provavelmente a apenas algumas centenas de km/s.
E este é um número muito, muito interessante.
Crédito da imagem: Illustris Simulation, M. Vogelsberger, S. Genel, V. Springel, P. Torrey, D. Sijacki, D. Xu, G. Snyder, S. Bird, D. Nelson, L. Hernquist, via http://h-its.org/english/press/pressreleases.php?we_objectID=1080 .
A massa e energia desses neutrinos nos dizem que eles caíram nas estruturas de grande e pequena escala do Universo, inclusive em nossa própria galáxia. Eles nos dizem que são pequeno porcentagem da matéria escura - entre cerca de 0,5% e -1,4% dele — mas não pode ser tudo isso. Há tanta massa em neutrinos quanto massa na forma de estrelas atualmente queimando seu combustível hoje. Não muito, mas ainda interessante!
Crédito da imagem: eu, criado em http://nces.ed.gov/ .
Mas o que talvez seja mais surpreendente sobre esses neutrinos é que não temos nenhuma ideia prática sobre como poderíamos detectá-los experimentalmente!
Crédito da imagem: Ben Still de http://pprc.qmul.ac.uk/~still/ .
Nós posso detectar neutrinos, mas apenas neutrinos com cerca de bilhão vezes a energia dessas relíquias cósmicas. Por causa de quão rapidamente (exponencialmente) a seção transversal cai, nós realmente não temos esperança de como detectar algo com uma assinatura tão pequena; todos os detectores de neutrinos que construímos e implementamos com sucesso contam com neutrinos de ultra-alta energia.
Portanto, nossas técnicas comprovadas de detecção de neutrinos não seriam aplicáveis, a menos que você pegasse um detector de neutrinos gigante como Super-Kamiokande, acima (ou IceCube, no topo) e acelerasse a coisa toda a velocidades relativísticas. Então – e só então – você poderia começar a receber um sinal semelhante ao que recebemos dos neutrinos abundantes e de alta energia que são fáceis de detectar: os do Sol e dos reatores nucleares.
Crédito da imagem: Exibição do evento Super Kamiokande, 2005.
Como isso é impraticável, para dizer o mínimo, este é um dos últimas grandes previsões não testadas do Big Bang , e um que dificilmente resolveremos tão cedo. (Se o ondas gravitacionais da inflação de fato, aguentar, isso pode ser a previsão final não verificada do Big Bang!) Apesar do fato de que existem centenas desses neutrinos e antineutrinos por centímetro cúbico, e apesar do fato de que eles estão percorrendo (pelo menos) centenas de quilômetros por segundo, a única interação que eles pode concebivelmente ter com a matéria normal é através de um recuo nuclear.
E um núcleo, comparado a um neutrino, é grande, para dizer o mínimo. Detectar um desses recuos é mais difícil do que detectar o recuo de um semi-caminhão extremamente carregado quando ele colide com... um paramécio. Em outras palavras, mesmo que pudéssemos detectá-lo, ser capaz de discernir um evento do ruído experimental está muito além de nossas capacidades práticas.
Crédito da imagem: Thomas Schoch de http://www.retas.de/thomas/travel/australia2005/ .
Mas lá é uma coisa interessante que aprendemos sobre esses neutrinos. Veja bem, sabemos há muito tempo que os neutrinos são todos canhotos, o que quer dizer que seu giro sempre se opõe seu momento, ou que eles estão girando -½. Por outro lado, os anti-neutrinos são todos destros, seu spin sempre aponta na mesma direção como seu momento, ou que eles giram +½. Todas as outras partículas de spin semi-inteiro que conhecemos têm versões que são ± ½, sejam elas matéria ou antimatéria.
Mas não neutrinos. Isso alimentou a especulação de que os neutrinos podem realmente ser suas próprias antipartículas, tornando-os um tipo especial de partícula conhecido como Fermion de Majorana . Mas há um tipo especial de decadência que deve acontecer Se eles são; até agora, nenhum dado sobre esse decaimento, e por causa disso, a janela de neutrinos sendo partículas de Majorana está fechando .
Crédito da imagem: o experimento GERDA na Universidade de Tübingen.
Então aí está: existem cerca de 10^90 neutrinos e anti-neutrinos que sobraram do Big Bang, tornando-os a segunda partícula mais abundante no Universo (depois dos fótons). Existem mais de um bilhão de neutrinos antigos para cada próton no Universo. E, no entanto, todos esses neutrinos relíquias – que compõem o fundo cósmico de neutrinos (ou CNB) – são completamente indetectável para nós. Não em princípio , apenas na prática, pois não sabemos como tornar os experimentos sensíveis o suficiente (ou mesmo perto) para procurar por isso, ou provocar tal sinal contra um pano de fundo esmagador de eventos. Se você quer saber o que pode fazer para ganhar um Prêmio Nobel, invente uma maneira de detectá-los, e a medalha e a glória certamente serão suas!
Até então, tudo o que podemos fazer é nos maravilhar com o que talvez seja a última grande previsão não verificada do Big Bang: um fundo relíquia de neutrinos cósmicos!
Tem alguma sugestão de como ganhar esse Nobel? Diga-nos em o fórum Starts With A Bang em Scienceblogs !
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