Сейчас физик из Принстонского университета Крис Талли готовит установку для обнаружения этих богатых информацией реликвий, которые появились через секунду после Большого взрыва, во время наступления эпохи, в которой протоны и нейтроны слились, чтобы создать все легкие элементы во Вселенной. Талли управляет прототипной лабораторией в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE), которая основана на том факте, что нейтрино могут быть захвачены тритием, радиоактивным изотопом водорода, и обеспечивать крошечный прилив энергии электронам. выделяется при распаде трития.Никогда прежде не достигнутая точность
Прототип призван измерить эту крошечную дополнительную энергию с недостижимой ранее точностью. Задача, которую сравнивают с обнаружением конкретного сердцебиения на переполненной спортивной арене, потребует самых холодных и самых темных условий, из возможных, чтобы предотвратить выход из строя чрезвычайно чувствительных инструментов. В случае успеха проект может привести к новому крупному эксперименту в PPPL для подтверждения или переоценки стандартной модели Большого взрыва и его последствий.
Современная система, созданная инженером PPPL Чарльзом Джентиле и другими сотрудниками лаборатории, состоит из пары сверхпроводящих магнитов, соединенных с противоположными концами 5-футовой вакуумной камеры, причем второй магнит подключен к калориметру. измеряет энергию электронов. Талли назвал проект PTOLEMY в честь греческого астронома второго века и как аббревиатуру от «Принстонская тритиевая обсерватория света, выход массивных нейтрино в ранней Вселенной».
Поддержка поступает в виде грантов в размере 400 000 долларов от Фонда Саймонса в Нью-Йорке и 330 000 долларов от Фонда Джона Темплтона в Пенсильвании.Охота начинается этим летомОхота на нейтрино Большого взрыва начнется этим летом после нескольких лет подготовки. Вскоре появится ключевой ингредиент: 1/100 миллиграмма трития, загруженного на лист графена размером с почтовую марку, слой углерода толщиной всего в один атом.
Такое расположение позволит получить чистый спектр распада трития, когда он прибудет из Национальной лаборатории Саванна-Ривер в соответствии с Соглашением о совместных исследованиях и разработках, одобренным Министерством энергетики. PPPL будет безопасно обращаться с этим тритием в соответствии со своей Программой радиационной защиты, утвержденной Министерством энергетики США.
Лаборатория использовала большее количество трития в качестве топлива вместе с изотопом водорода дейтерием для термоядерных экспериментов, проводимых на ее термоядерном реакторе Токамак с 1993 по 1997 год.Исследователи разместят насыщенный тритием графен внутри первого сверхпроводящего магнита, напряженность поля которого аналогична системам МРТ, которые используют больницы и клиники.
Это поле будет направлять электроны от распада трития в соседнюю вакуумную камеру. Электроны с низкой энергией будут фильтроваться, когда они проходят через серию электродов, помещенных в вакуумную камеру, когда магнитное поле сначала падает в силе, а затем снова возрастает, когда электроны входят во второй магнит, оставляя только электроны с самой высокой энергией для калориметра. анализировать.Самый точный инструмент в своем роде
Калориметр будет самым точным прибором такого рода в мире. Он будет подключен к холодильнику для разбавления, установленному на температуру от 10 до 50 милли-Кельвинов, температуру более чем в 50 раз ниже, чем в глубоком космосе, и на небольшую долю градуса выше абсолютного нуля. Сильный холод будет держать калориметр в равновесии между сверхпроводящим состоянием, в котором электроны могут течь без сопротивления, и несверхпроводящим состоянием, обеспечивающим сопротивление.
Когда появляется электрон с дополнительной энергией, переданной нейтрино, калориметр сигнализирует об этом, быстро становясь резистивным.Этот холодильник для разбавления может сделать PPPL одним из самых горячих, а также самых холодных мест в солнечной системе в дни, когда работает Национальный эксперимент по модернизации сферического тора (NSTX-U), недавно завершенный флагманский объект лаборатории. NSTX-U обычно проводит эксперименты при температуре ядра Солнца 15 миллионов градусов Цельсия или выше, поскольку он исследует термоядерные реакции в качестве энергии для выработки электричества.
Подготовьте почву для гораздо более масштабного экспериментаУ проекта PTOLEMY будет главная цель: продемонстрировать способность измерять массу нейтрино Большого взрыва и, таким образом, подготовить почву для гораздо более крупного эксперимента, который будет исследовать распад 100 граммов трития. «Мы надеемся собрать достаточно данных для измерения нейтрино или, по крайней мере, произвести самые точные измерения в мире с использованием калориметрических методов к концу 2017 года», — сказал Талли о прототипе.
Новый большой эксперимент должен проверить теорию, согласно которой во Вселенной существует около 330 нейтрино Большого взрыва на кубический сантиметр. Увеличенный PTOLEMY будет подсчитывать количество электронов, которые нейтрино подбросили по энергии, чтобы определить, верно ли это предсказание.
Подтверждение этого подтвердило бы текущую мысль об эволюции космоса после Большого взрыва, а опровержение этого могло бы опровергнуть модель и привести к новым открытиям.Расширенный эксперимент может иметь и другие далеко идущие последствия.
Он может обнаруживать так называемые стерильные нейтрино, гипотетические частицы Большого взрыва, которые не имеют положительного или отрицательного заряда и могут быть источником невидимой темной материи, которая, по словам ученых, составляет 20 процентов массы Вселенной.Помимо охоты за нейтрино, в районе, где находится ПТОЛЕМИ, находится оборудование, полезное для выполнения центральной совместной миссии лаборатории термоядерной энергии. Например, разработчики строящегося во Франции международного токамака ИТЭР протестируют диагностический прибор на мощном магните рядом с площадкой.
Сама работа на ПТОЛЕМЫ привлечет аспирантов и летних стажеров. Талли отмечает такие возможности, глядя в будущее. «Моя мечта — доказать, что измерение массы нейтрино может работать, — говорит он, — и получить красивую картину большого нового объекта, который могут построить инженеры».PPPL, расположенный в кампусе Форрестол Принстонского университета в Плейнсборо, штат Нью-Джерси, посвящен созданию новых знаний о физике плазмы — сверхгорячих заряженных газов — и разработке практических решений для создания термоядерной энергии.
Результаты исследований PPPL варьировались от портативного детектора ядерных материалов для использования в борьбе с терроризмом до универсальных компьютерных кодов для анализа и прогнозирования результатов экспериментов по термоядерному синтезу. Лабораторией управляет Управление науки Университета Министерства энергетики США, которое является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности.