Tag: StandardModel

78 megahertz

Romanziamo un po’ anche questo.

Deserto australiano, una piccola antenna radio nel bel mezzo di un nulla di polvere, vento e silenzio. Un solo omino, stanco ed annoiato davanti al suo monitor. Vent’anni di speranze, ricerche e tentativi; condivisi dal nostro solitario ricercatore e da decine di sognatori e testardi come lui.

Ad un tratto un flebile bip; un puntino insignificante per molti, tanti, tantissimi, tutti meno che lui. Il bip che aspettava, il vagito della prima stella. Buon compleanno.

180 milioni di anni dopo il Big Bang, praticamente un’occhiolino dopo la nascita dell’universo, l’ “Età Oscura” (il buio cosmico, perenne ed onnipresente) era squarciato dalla prima luce. Raggi ultravioletti che squarciavano la nebbiolina di idrogeno che rappresentava il risultato stesso del Big Bang, che era “il tutto”.

The low-frequency edge of the observed profile indicates that stars existed and had produced a background of Lyman-α photons by 180 million years after the Big Bang. The high-frequency edge indicates that the gas was heated to above the radiation temperature less than 100 million years later.

La piccola antenna si era spinta indietro nel tempo dove nessuno era mai giunto, dove i suoi fratelloni più grandi, sia in cielo che in terra, non erano ancora arrivati. Un segnale flebile e disturbato in mezzo ad una moltitudine di rumore e ruggiti di stelle più grandi e più giovani. Ma l’interesse era per quel vecchio, lontano e flebile dinosauro che rappresentava una pietra miliare nell’evoluzione del cosmo.

78Mhertz_1.png

Ma non è tutto; il bip non suonava come il nostro amico testardo si aspettava. Non era un segnale propriamente regolare… e meno male, dato che altrimenti la ricerca sarebbe finita li. Era in qualche modo un segnale deformato, dalle caratteristiche inattese: due volte più ampio del previsto (An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum).

After stars formed in the early Universe, their ultraviolet light is expected, eventually, to have penetrated the primordial hydrogen gas and altered the excitation state of its 21-centimetre hyperfine line. This alteration would cause the gas to absorb photons from the cosmic microwave background, producing a spectral distortion that should be observable today at radio frequencies of less than 200 megahertz.

[…]

The profile is largely consistent with expectations for the 21-centimetre signal induced by early stars; however, the best-fitting amplitude of the profile is more than a factor of two greater than the largest predictions. This discrepancy suggests that either the primordial gas was much colder than expected or the background radiation temperature was hotter than expected.

78Mhertz.png

E qui, dal solitario omino si passa ad una pletora di pensatori imbellettati, di scienziati da carta e penna, di lavagne polverose e studi bui: l’idrogeno gassoso era forse più freddo di quanto ipotizzato; probabilmente a causa dalla materia oscura. In piena serendipità, da cosa nasce cosa e siamo vicini a poter definire qualche proprietà di una particella di materia oscura e (speriamo di no) rimetter mano al modello standard per tener buono questo strano, flebile vagito e la conoscenza del mondo che ci circonda così come siamo abituati a vederlo e spiegarcelo.

Praticamente nello spetto delle microonde della radiazione cosmica di fondo, questa lieve diminuzione del segnale attorno ai 78 MHz è una distorsione compatibile con, tenendo conto dell’assorbimento dell’idrogeno e dello spostamento verso il rosso dovuto all’espansione dell’universo, un idrogeno (ed in fondo un intero universo) due volte più freddo di quanto ci aspettassimo.

Parliamo di circa 3 gradi Kelvin; -270°C.

Astrophysical phenomena (such as radiation from stars and stellar remnants) are unlikely to account for this discrepancy; of the proposed extensions to the standard model of cosmology and particle physics, only cooling of the gas as a result of interactions between dark matter and baryons seems to explain the observed amplitude.

WU

Annunci

Very very very cold

One billionth of degree above the absolute zero. More than 100 000 000 times colder than the depths of space (a place already very cold).

It is like to say that this is the coldest point we might have ever seen. And, since temperature is energy and energy is matter, it is like to explore the deepest structure of energy and matter.

At these extremely low temperature matter behaves like waves more than particle; the state is known as the Bose-Einstein condensate. Ok, this is new, but not brand new.

Here, on the Earth I mean, we already succeeded to create such a state, but the boring gravity affecting everything causes matter to maintain such characteristics only for a fraction of second before to settle atoms towards the ground.

Well, the natural evolution of such experiment is to pack everything and send the equipment to the International Space Station (ISS); at least we know how it can be used besides for taking pictures…

The Cold Atom Lab (CAL) experiment is scheduled to be flown on the ISS in August 2017. The box features a powerful laser, a vacuum chamber and an electromagnetic “knife” to cancel out any gas particles energy. This correspond to having and almost motionless matter in absence of gravity, i.e. a Bose-Einstein condensate lasting for tens/hundreds of seconds!

CAL.png

Of course nothing is done for pure research and the technical repercussion of this experiment are on quantum computers and atomic clocks. The Bose-Einstein condensate state is also a “fluid” with zero viscosity (no viscosity means that there is nothing to slow it down dissipating the kinetic energy) thus also its possible applications on energy transmission can take advantage from this kind of experiments.

All in all, although the space is already very cold, making a tiny box even colder up there helps us here to imagine new concepts and applications. Technology evolving through experiments exploiting what we already have.

Arrangiarsi: taking out the most from everything.

WU

Na64

Non è, anche se sembra, il fantomatico unobtanium. Non è, anche se sembra, il nome in codice del drone del prossimo episodio della saga di Star Wars.E’, anche se non sembra, il nome del prossimo esperimento del CERN.

Scopo: fare luce sulla materia oscura. A parte l’irresistibile gioco di parole, fare luce è meno sarcastico di quanto pensiate, dato che stiamo parlando di cercare il “fotone oscuro” (si, anche questo richiama un episodio di una specie di Batman fanta-fisico).

Il fotone oscuro dovrebbe (un solo condizionale potrebbe non bastare) essere il responsabile della forza elettromagnetica quando si parla di materia oscura. Proprio come affidiamo al fotone l’interazione elettromagnetica (si, la luce) nel mondo della materia ordinaria, ci aspettiamo che esista il suo altrerego oscuro (e, quindi, cattivo 😀 ).

La cosa simpatica è che la natura duale del fotone come lo conosciamo noi potrebbe essere mantenuta dall’oscuro fotone che potrebbe esser in grado di mediare fra il mondo della materia ordinaria e quello della materia oscura. Insomma una specie di messo fra due mondi.

L’esperimento del CERN mira a misurare l’ammanco di energia degli elettroni che potrebbe essere causata dal loro interagire con dei fotoni oscuri. Qualora tale ammanco fosse misurabile e non attribuibile a processi ordinari allora, anche senza averlo visto (approccio tipicamente usato nel mondo della “fisica sperimentale oscura”) allora si urlerebbe alla scoperta.

E si devono guardare gli elettroni, con attenzione. Infatti ci si aspetta che la nuova particella sia in grado id interagire solo con elettroni e neutroni, ma non con protoni (insomma, in un’unica incomprensibile parola, sia protofobica).

Ci si aspetta che a differenza del fratellino luminoso il fotone oscuro sia pesante (circa 30 volte il fotone), dotato di massa e sarebbe rilevabile solo per via indiretta. Affascinante pensare al fatto che per vedere qualcosa dobbiamo cercare ciò che non c’è. Se poi ciò che cerchiamo è oscuro per definizione, ciò che manca è l’unico modo di far luce su tutto un mondo che non conosciamo affatto.

Gli estremi per continuare la ricerca (ed i finanziamenti) ci sono tutti.

WU

PS. E non è la prima volta che proviamo a cercare tale particella, dato che al Jefferson Lab esperimenti del genere vanno avanti dal 2012, nello spazio dal 2006 con PAMELA e la prima proposta teorica dell’esistenza di tale particella data 1986