Știința găzduiește adesea propuneri îndrăznețe.
În loc să folosim antene, am putea conecta copacii într-o pădure pentru a detecta neutrinii? Credit: Claire Gillo/PhotoPlus Magazine/Future prin Getty Images
Neutrinii sunt unii dintre cei ai naturii cele mai evazive particule. O sută de trilioane zboară prin corpul tău în fiecare secundă, dar fiecare are doar o mică șansă de a împinge unul dintre atomii tăi, o consecință a slăbiciunii incredibile a forței nucleare slabe care guvernează interacțiunile cu neutrini. Această șansă mică înseamnă că detectarea fiabilă a neutrinilor necesită mult mai mulți atomi decât există în corpul tău. Pentru a observa neutrinii care se ciocnesc cu atomii din atmosferă, experimentele au îngropat 1.000 de tone de apă grea, camere țesute prin a kilometru cub de gheață antarctică și plănuia să se desfășoare 200.000 de antene.
Într-un domeniu plin de planuri ambițioase, o propunere recentă de Steven Prohiraun profesor asistent la Universitatea din Kansas, este deosebit de ciudat. Prohira sugerează că, în loc să folosim antene, am putea detecta semnele revelatoare ale neutrinilor atmosferici. prin cablarea unei păduri de copaci. Sugestia lui se poate dovedi a fi imposibilă, dar ar putea fi și o descoperire importantă. Pentru a afla care este, va trebui să parcurgă un drum lung, rafinând prototipuri și demonstrând meritele ideii sale.
Scopul lui Prohira este de a detecta așa-numiții neutrini cu energie ultra-înaltă. Fiecare dintre aceste particule minuscule transportă de peste cincizeci de milioane de ori energia eliberată de uraniu în timpul fisiunii nucleare. Originile lor nu sunt pe deplin înțelese, dar se așteaptă să fie produse de unele dintre cele mai puternice evenimente din Univers, de la stele și pulsari în colaps până la mediile volatile din jurul găurilor negre masive din centrul galaxiilor. Dacă am putea detecta aceste particule mai fiabil, am putea afla mai multe despre aceste evenimente astronomice extreme.
Alte experimente, ca un proiect numit MAREintenționează să construiască antene pentru a detecta acești neutrini, urmărind semnalele radio care provin din reacțiile lor cu atmosfera noastră. Cu toate acestea, găsirea unor locuri pentru a plasa aceste antene poate fi o provocare. Motivat de acest experiment, Prohira a dezgropat studii vechi ale armatei SUA care sugerau o alternativă: în loc de antene, folosiți copaci. Înfășurând un fir în jurul fiecărui copac, cercetătorii armatei au descoperit că copacii erau sensibili la undele radio, pe care sperau să le folosească pentru a primi semnale radio în junglă. Prohira susține că același truc ar putea fi util pentru detectarea neutrinilor.
Crackpot sau știință legitimă?
Oamenii sugerează idei ciudate în fiecare zi. Ar trebui să avem încredere în acesta?
La început, s-ar putea să fii puțin suspicios. Lucrarea lui Prohira este prudentă cu privire la știință, dar extrem de optimistă în alte privințe. El descrie propunerea ca pe o modalitate de a ajuta la conservarea pădurilor Pământului și chiar sugerează că „un detector de pădure ar putea motiva, de asemenea, reîmpădurirea pe scară largă a pământului, pentru a dezvolta un detector de neutrini pentru generațiile viitoare”.
Totuși, Prohira nu este un prost. Are un istoric de cercetare în detectarea neutrinilor prin unde radio în experimente mai convenționale și chiar a primit un grant de geniu MacArthur de 800.000 de dolari acum câțiva ani pentru a-și susține munca.
În general, studierea particulelor din spațiul cosmic necesită adesea propuneri îndrăznețe, în special cele care folosesc lumea naturală. Profesorul Albrecht Karle lucrează la experimentul IceCube, o serie de camere care detectează neutrini care zboară printr-un kilometru cub de gheață din Antarctica.
„În fizica astroparticulelor, unde de multe ori nu putem construi întregul experiment într-un laborator, trebuie să apelăm la natura să ne ajute, pentru a oferi un mediu care să poată fi folosit pentru a construi un detector. De exemplu, în multe părți ale fizicii astroparticulelor, folosim atmosfera ca mediu, sau oceanul sau gheața, sau mergem adânc în subteran pentru că avem nevoie de un scut pentru că nu putem construi un scut artificial. Există chiar și idei pentru a merge în spațiu pentru neutrini extrem de energici, pentru a construi detectoare pe luna Europa a lui Jupiter.”
Astfel de utilizări ale naturii sunt comune în domeniu. a Indiei strugurii experimentele au fost concepute pentru a măsura muonii, dar trebuie să filtreze orice nu este un muon pentru a face acest lucru. După cum a explicat profesorul Sunil Gupta de la Institutul Tata, cel mai bun mod de a face asta a fost cu pământul de pe un deal din apropiere.
„Singurul mod în care știm că poți face ca un detector de muoni să funcționeze este prin filtrarea altor radiații […] deci am decis că vom face o structură civilă, iar deasupra vom arunca trei metri de pământ, astfel încât acei trei metri de pământ să poată acționa ca un filtru”, a spus el.
Drumul lung către un experiment
Deși ideea lui Prohira nu este ridicolă, este totuși doar o idee (și una dintre multe). Lucrarea lui Prohira care descrie ideea a fost încărcată în arXiv.orgun server de pre-print, în ianuarie. Fizicienii folosesc servere de pre-print pentru a oferi acces la munca lor înainte de a fi trimisă într-o jurnal științific. Acest lucru le oferă altor fizicieni timp să comenteze lucrările și să sugereze revizuiri. Între timp, revista va trimite lucrarea câtorva recenzori selectați, cărora li se cere să judece atât dacă lucrarea este probabil să fie corectă, cât și dacă prezintă un interes suficient pentru comunitate.
În această etapă, recenzenții pot găsi probleme cu ideea lui Prohira. Acestea pot lua forma unor greșeli reale, cum ar fi dacă ar fi făcut o eroare în estimările sale privind sensibilitatea detectorului. Dar recenzenții pot cere și mai multe detalii. De exemplu, ar putea solicita o analiză mai extinsă a posibilelor erori de măsurători cauzate de diferitele forme și dimensiuni ale copacilor.
Dacă ideea lui Prohira ajunge până la publicare, următorul pas către construirea unui detector de pădure ar fi să convingă comunitatea mai mare. Acest tip de lucru are loc adesea la conferințe. The Conferința Internațională a Razei Cosmice este cea mai mare scenă pentru comunitatea astroparticulelor, cu conferințe la fiecare doi ani – următorul este programat pentru 2025 la Geneva. Alte conferințe mai specializate, de exemplu ARENĂse concentrează în special pe încercările de a detecta unde radio de la neutrini de înaltă energie. Aceste conferințe pot oferi o oportunitate de a aduce alți oameni de știință la bord și de a începe să construiți o echipă.
Acea echipă va fi crucială pentru următorul pas: testarea prototipurilor. Indiferent cât de bine sună o idee în teorie, unele probleme apar doar în timpul unui experiment real.
O versiune timpurie a experimentului GRAPES a detectat muonii prin lumina pe care o emit trecând prin rezervoarele de apă. Pentru a afla cât de multă apă era necesară, cercetătorii au făcut teste, punând un detector deasupra unui rezervor și pe fund și ținând evidența cât de des ambii detectori s-au declanșat pentru diferite înălțimi de apă, pe baza muonii care au trecut aleatoriu din atmosferă. . După ce au descoperit că rezervoarele de apă ar trebui să fie prea înalte pentru a încăpea în instalația lor subterană, au trebuit să găsească substanțe chimice care schimbă lungimea de undă care să le permită să folosească rezervoare mai scurte și noi modalități de a dizolva aceste substanțe chimice fără erodarea aluminiului rezervorului. ziduri.
„Când încerci să faci ceva, te confrunți cu tot felul de provocări amuzante”, a spus Gupta.
Experimentul IceCube are o istorie lungă de prototipuri care se întorc la conceptele timpurii care au fost legate doar la distanță de proiectul final. Cel mai devreme, precum proiectul DUMAND propus din Hawaii, a planificat să pună detectoare în ocean, mai degrabă decât în gheață. BDUNT a fost o etapă intermediară, un proiect care a folosit adâncurile lacului Baikal pentru a detecta neutrinii atmosferici. În timp ce detectoarele erau încă în apă lichidă, capacitatea de a conduce pe suprafața înghețată a lacului a ușurat construcția BDUNT.
Într-o Conferinta din 1988Robert March, Francis Halzen și John G. Learned au imaginat un fel de „DUMAND în stare solidă” care ar folosi gheață în loc de apă pentru a detecta neutrini. Deși ideea era atractivă, cercetătorii au avertizat că va necesita un pic de noroc. „În rezumat, acesta este un detector care necesită o serie de accidente fericite pentru a-l face fezabil. Dar dacă acestea ar trebui să se întâmple, ar putea oferi cea mai puțin costisitoare cale către un telescop cu neutrini cu adevărat mare”, au spus ei.
În cazul experimentului AMANDA, testele timpurii din Groenlanda și testele ulterioare la Polul Sud au început să ofere aceste accidente fericite. „S-a descoperit că gheața era și mai excepțional de clară și nu are radioactivitate – absolut liniștită, așa că este cel mai întunecat, mai liniștit și mai pur loc de pe Pământ”, a spus Karle.
AMANDA era mult mai mică decât experimentul IceCube, iar teoreticienii susținuseră deja că pentru a vedea neutrinii cosmici, experimentul ar trebui să acopere un kilometru cub de gheață. Totuși, experimentul original AMANDA nu a fost doar un prototip; dacă neutrinii ar ajunge într-un ritm suficient, ar observa unii. În acest sens, a fost ca experimentul LIGO originalcare a rulat mulți ani la începutul anilor 2000 cu o șansă minimă de a detecta unde gravitaționale, dar a furnizat informațiile necesare pentru a efectua o actualizare în anii 2010 care a dus la detectări repetate. În mod similar, speranța pionierilor precum Halzen era că AMANDA va fi capabilă să detecteze neutrinii cosmici, în ciuda statutului său de prototip.
„Exista șansa ca, având cunoștințele de la acea vreme, cineva să aibă noroc. Cu siguranță a încercat”, a spus Karle.
Experimentele prototip urmează adesea acest model. Sunt înființați în speranța că ar putea descoperi ceva nou despre Univers, dar sunt construiți pentru a descoperi cel puțin orice provocări neașteptate care ar opri un experiment mai mare.
Facilități majore și Fundația Națională pentru Știință
Pentru experimente care nu au nevoie de sume uriașe de finanțare, aceste prototipuri pot duce la lucru real, oamenii de știință crescând ambiția lor în fiecare etapă. Dar pentru cele mai mari experimente, guvernele care oferă finanțarea tind să dorească un plan mai clar.
Deoarece Prohira are sediul în SUA, să luăm în considerare guvernul SUA. Fundația Națională de Știință are o procedură pentru cele mai mari proiecte ale sale, numite programul Major Research Equipment and Facilities Construction. Din 2009, a avut o politică „fără depășire a costurilor”. În trecut, dacă un proiect ajungea să coste mai mult decât se aștepta, FSN ar putea încerca să găsească finanțare suplimentară. Acum, proiectele ar trebui să estimeze în prealabil modul în care ar putea crește costul și să bugeteze suplimentar pentru risc. Dacă oricum bugetul devine prea mare, proiectele ar trebui să compenseze prin reducerea domeniului de aplicare, micșorând experimentul până când acesta scade din nou sub costuri.
Pentru a se asigura că pot face acest lucru, FSN are un proces de revizuire amănunțit.
În primul rând, NSF se așteaptă ca oamenii de știință care propun un proiect să-și fi făcut temele și să fi investit deja timp și bani pentru prototiparea experimentului. Așteptările generale sunt că aproximativ 20% din bugetul total al experimentului ar fi trebuit cheltuit pentru a testa ideea înainte ca NSF să înceapă chiar să o revizuiască.
Cu prototipurile testate și o echipă adunată, oamenii de știință se vor reuni pentru a conveni asupra unui plan. Acest lucru înseamnă adesea să scrieți un raport pentru a dezvălui ceea ce au în minte. Echipa IceCube este în proces de a propune o a doua generație a experimentului lor, o extindere care ar acoperi mai multă gheață cu detectoare și ar atinge obiective științifice suplimentare. Echipa a terminat recent partea a treia a a Raport de proiectare tehnicăcare detaliază cazul tehnic al experimentului.
După aceea, experimentele intră în procesul oficial de proiectare a experimentelor NSF. Acesta are trei faze, proiectare conceptuală, proiectare preliminară și proiectare finală. Fiecare fază se încheie cu un document de revizuire care rezumă starea actuală a planurilor pe măsură ce se întăresc, trecând de la un caz științific general la un plan specific pentru a pune un experiment într-un anumit loc. Riscurile sunt estimate în detaliu și enumerați estimări despre cât de probabil sunt riscurile și cât vor costa acestea, proces care implică uneori simulări pe computer. Până la sfârșitul procesului, proiectul are un plan complet detaliat și construcția poate începe.
În următorii câțiva ani, Prohira își va testa propunerea. S-ar putea să aibă noroc, ca și res cercetătorii care au săpat în gheața Antarcticii și au găsit un semnal surprinzător de clar. În schimb, ar putea avea ghinion și va descoperi că complexitatea copacilor, cu distanțe diferite și împrăștiere a frunzelor, face ca semnalele pe care le generează să nu fie potrivite pentru știința neutrinilor. El și noi nu putem ști dinainte ce se va întâmpla.
Până la urmă, pentru asta este știința.
Comentarii recente