Por Jay, desde 凹非寺
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Justamente ahora, se ha anunciado el Premio Nobel de Física.
Esta vez no hubo ningún empate, el ganador fue una sola persona, de la Universidad de Wisconsin-Madison en Estados Unidos:Francis Halzen(Francis Halzen).
Si no conoces esta universidad, seguramente conocerás a un famoso exalumno suyo en el ámbito de la tecnología e internet de China:
El fundador de Pinduoduo,Huang Zheng。
Entonces, ¿por qué exactly recibió Francis el premio?
Esto es lo que dice el comunicado oficial:
en reconocimiento a su contribución decisiva al observatorio de neutrinos IceCube en la Antártida, así como al descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen astrofísico.
Concretamente, tomó del subsuelo antártico, a más de 2000 metros de profundidad, el1 kilómetro cúbicocapas de hielo puro, transformadas a la fuerza en un detector para capturar las partículas fantasma del cosmosSuper-Telescopio。。。
Hoy en día, en la Antártida incluso hay una meseta nombrada en su honor, llamadaHalzen Mesa。
¿Por qué cazar «fantasmas» en el hielo profundo de la Antártida?
En el universo siempre ha existido un enigma definitivo que ha desconcertado a la física durante un siglo: ¿desde dónde se emiten esos rayos cósmicos con energías extremadamente altas?
En el universo existen aceleradores de partículas naturales que disparan protones con una energía millones de veces superior a la de los aceleradores más potentes de los laboratorios terrestres. Pero los protones tienen carga eléctrica y, al volar por el cosmos, los campos magnéticos interestelares los desvían y enredan por completo, de modo que cuando llegan a la Tierra nadie puede determinar desde qué dirección proceden.
¿Cómo se puede encontrar la verdadera fuente?
Los físicos dirigen su mirada hacia los neutrinos.
Los neutrinos son las partículas más tímidas del universo: no tienen carga eléctrica y su masa es diminuta. Cada segundo65 mil millonesLos neutrinos del Sol atraviesan la uña de tu pulgar y tú no lo notas en absoluto.
Donde se aceleran protones de alta energía suelen producirse también neutrinos de alta energía. Los neutrinos no tienen carga eléctrica, no son perturbados por los campos magnéticos ni bloqueados por el polvo interestelar, de modo que funcionan como una diana perfectamente recta que apunta directamente a su lugar de origen en lo profundo del universo.
Pero, ¿cómo atraparlo?
Los neutrinos ocasionalmente chocan con un núcleo atómico, produciendo partículas cargadas y emitiendo una luz azul extremadamente tenue. Mientras el medio sea lo suficientemente transparente y de volumen suficientemente grande, sus trayectorias pueden registrarse con sensores fotosensibles.
Aunque el océano profundo es transparente, en su interior hay bioluminiscencia de criaturas vivas y brillantes, además de interferencias de las corrientes marinas. En los años 1980, Halzen propuso una idea audaz: ir a la Antártida y usar el hielo natural.
Perforar pozos de 2.5 km de profundidad con agua caliente para crear un gigantesco ojo bajo el hielo de 1 kilómetro cúbico
Capturar partículas en la Antártida, entre hielo y nieve, suena a cuento fantástico.
Las capas de hielo en las profundidades de la Antártida están completamente en la oscuridad, sin criaturas marinas que estorben, con una estructura geológica sumamente estable y sin interferencias sísmicas. El único problema que causaba dolor de cabeza era: ¿cómo introducir los sensores en un glaciar de más de dos mil metros de espesor?
El equipo de investigación ideó un método extremadamente contundente: usar una broca especial de agua caliente a alta temperatura para fundir en el hielo antártico profundos agujeros de más de dos mil metros, y luego hundir rápidamente en el agua helada cables cargados de sensores fotosensibles.
Halzen describió estos sensores como bombillas invertidas: no se encargan de emitir luz, sino de captar señales luminosas débiles y convertirlas en señales eléctricas.
Cuando el experimento precursor temprano, AMANDA, acababa de ponerse en marcha, todos estaban nerviosos. El hielo superficial estaba lleno de diminutas burbujas de aire, y la luz, al entrar, quedaba dispersa en mil pedazos.
Pero cuando la broca descendió por debajo de1400 metrosocurrió el milagro: la alta presión aplastó y expulsó todas las burbujas, y el hielo inferior era tan puro y transparente que resultaba asombroso. La luz azul producida por las colisiones de neutrinos podía propagarse en el hielo incluso hasta300 metrosde distancia antes de ser absorbida.
Tras verificar su viabilidad, IceCube inició oficialmente sus trabajos.
Cuando se completó en 2011, todo el IceCube ya estaba enterrado en lo profundo del hielo antártico, entre1450 y 2450 metrosde profundidad, y estaba formado por86 cables、y 5160 sensores ópticosconvirtiendo1 kilómetro cúbicode glaciar natural en un telescopio de neutrinos sin precedentes.
Capturar el fantasma cósmico y abrir una puerta completamente nueva a la astronomía
Con este telescopio gigante, buscar señales procedentes del espacio profundo sigue siendo como buscar una aguja en un pajar.
Cada día, más de cien millones de partículas de rayos cósmicos procedentes de la atmósfera sobre la Antártida atraviesan el detector, además de cientos de neutrinos de la atmósfera del otro extremo de la Tierra que penetran a través de la corteza terrestre.
Filtrar los neutrinos de alta energía que realmente provienen del universo lejano entre un enorme ruido de fondo hace que el procesamiento de datos sea tremendamente difícil.
En 2013, el equipo de IceCube finalmente anunció que había capturado por primera vez, de manera inequívoca, neutrinos cósmicos de alta energía procedentes de fuera del sistema solar. Este avance se llevó directamente el gran premio al Avance del Año de la revista Physics World de ese año.
En los años siguientes, las pruebas clave fueron apareciendo una tras otra:
Los científicos registraron 79 señales candidatas de neutrinos en la dirección de la galaxia activaNGC 1068Se registraron 79 señales candidatas de neutrinos en la dirección de (M77), lo que identificó una posible fuente astrofísica extrema.
En 2023, el equipo de IceCube trazó por primera vez una imagen de neutrinos de alta energía del plano de la Vía Láctea, permitiendo a la humanidad ver por primera vez el conjunto de la galaxia a través de los ojos de los neutrinos.
Después de la luz visible, la radio, los rayos X y las ondas gravitacionales, la puerta de la astronomía de neutrinos de alta energía ha sido abierta de par en par.
El ganador del Nobel: de la física de hadrones a construir un telescopio bajo el hielo
Este físico que recibió en solitario el Premio Nobel de Física, Francis Halzen, tiene este año 82 años.
Nació en 1944 en Tienen, Bélgica, y en 1969 obtuvo su doctorado en la Universidad de Lovaina (KU Leuven) en Bélgica; en sus primeros años investigó principalmente partículas pesadas compuestas por quarks y la ruptura de simetrías en la física de hadrones.
Tras completar su investigación posdoctoral, se trasladó a la Universidad de Wisconsin-Madison en Estados Unidos, donde ha enseñado de forma prolongada desde 1972 como profesor del departamento de física.
Su clásico libro de texto, escrito en coautoría, Quarks and Leptons, ha acompañado el crecimiento de varias generaciones de estudiantes de física de partículas en todo el mundo.