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Científicos descubren nueva física en la búsqueda de materia oscura

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Científicos descubren nueva física en la búsqueda de materia oscura

Se estima que el 85% de la masa del universo es materia oscura, una forma hipotética de materia.

No, los científicos aún no tienen idea de qué es la materia oscura. Sin embargo, los científicos de la MSU ayudaron a descubrir nueva física mientras la investigaban.

Wolfgang «Wolfi» Mittig y Yassid Ayyad comenzaron su búsqueda de la materia oscura, también llamada la masa perdida del universo, en el corazón de un[{» attribute=»»>atom around three years ago.

Even though their exploration did not uncover dark matter, the scientists nonetheless discovered something that had never been seen before that defied explanation. Well, at least an explanation on which everyone could agree.

“It’s been something like a detective story,” said Mittig, a Hannah Distinguished Professor in Michigan State University’s Department of Physics and Astronomy and a faculty member at the Facility for Rare Isotope Beams, or FRIB.

“We started out looking for dark matter and we didn’t find it,” he said. “Instead, we found other things that have been challenging for theory to explain.”

In order to make their finding make sense, the team went back to work, conducting further tests and accumulating more data. Mittig, Ayyad, and their colleagues reinforced their argument at Michigan State University’s National Superconducting Cyclotron Laboratory or NSCL.

The researchers discovered a new route to their unanticipated destination while working at NSCL, which they revealed in the journal Physical Review Letters. Additionally, they revealed intriguing physics at work in the ultra-small quantum realm of subatomic particles.

The scientists showed, in particular, that even when an atom’s center, or nucleus, is overcrowded with neutrons, it can find a route to a more stable configuration by spitting out a proton instead.

Shot in the dark

Dark matter is one of the most well-known yet least understood things in the universe. Scientists have known for decades that the universe contains more mass than we can perceive based on the motions of stars and galaxies.

Six times as much unseen mass as regular matter that we can see, measure, and classify is required for gravity to hold celestial objects to their courses. Although researchers are certain that dark matter exists, they have yet to find where and devise how to detect it directly.

“Finding dark matter is one of the major goals of physics,” said Ayyad, a nuclear physics researcher at the Galician Institute of High Energy Physics, or IGFAE, of the University of Santiago de Compostela in Spain.

Speaking in round numbers, scientists have launched about 100 experiments to try to illuminate what exactly dark matter is, Mittig said.

“None of them has succeeded after 20, 30, 40 years of research,” he said.

“But there was a theory, a very hypothetical idea, that you could observe dark matter with a very particular type of nucleus,” said Ayyad, who was previously a detector systems physicist at NSCL.

This theory centered on what it calls a dark decay. It posited that certain unstable nuclei, nuclei that naturally fall apart, could jettison dark matter as they crumbled.

So Ayyad, Mittig, and their team designed an experiment that could look for a dark decay, knowing the odds were against them. But the gamble wasn’t as big as it sounds because probing exotic decays also lets researchers better understand the rules and structures of the nuclear and quantum worlds.

The researchers had a good chance of discovering something new. The question was what that would be.

Help from a halo

When people imagine a nucleus, many may think of a lumpy ball made up of protons and neutrons, Ayyad said. But nuclei can take on strange shapes, including what are known as halo nuclei.

Beryllium-11 is an example of a halo nuclei. It’s a form, or isotope, of the element beryllium that has four protons and seven neutrons in its nucleus. It keeps 10 of those 11 nuclear particles in a tight central cluster. But one neutron floats far away from that core, loosely bound to the rest of the nucleus, kind of like the moon ringing around the Earth, Ayyad said.

Beryllium-11 is also unstable. After a lifetime of about 13.8 seconds, it falls apart by what’s known as beta decay. One of its neutrons ejects an electron and becomes a proton. This transforms the nucleus into a stable form of the element boron with five protons and six neutrons, boron-11.

But according to that very hypothetical theory, if the neutron that decays is the one in the halo, beryllium-11 could go an entirely different route: It could undergo a dark decay.

In 2019, the researchers launched an experiment at Canada’s national particle accelerator facility, TRIUMF, looking for that very hypothetical decay. And they did find a decay with unexpectedly high probability, but it wasn’t a dark decay.

It looked like the beryllium-11’s loosely bound neutron was ejecting an electron like normal beta decay, yet the beryllium wasn’t following the known decay path to boron.

The team hypothesized that the high probability of the decay could be explained if a state in boron-11 existed as a doorway to another decay, to beryllium-10 and a proton. For anyone keeping score, that meant the nucleus had once again become beryllium. Only now it had six neutrons instead of seven.

“This happens just because of the halo nucleus,” Ayyad said. “It’s a very exotic type of radioactivity. It was actually the first direct evidence of proton radioactivity from a neutron-rich nucleus.”

But science welcomes scrutiny and skepticism, and the team’s 2019 report was met with a healthy dose of both. That “doorway” state in boron-11 did not seem compatible with most theoretical models. Without a solid theory that made sense of what the team saw, different experts interpreted the team’s data differently and offered up other potential conclusions.

“We had a lot of long discussions,” Mittig said. “It was a good thing.”

As beneficial as the discussions were — and continue to be — Mittig and Ayyad knew they’d have to generate more evidence to support their results and hypothesis. They’d have to design new experiments.

The NSCL experiments

In the team’s 2019 experiment, TRIUMF generated a beam of beryllium-11 nuclei that the team directed into a detection chamber where researchers observed different possible decay routes. That included the beta decay to proton emission process that created beryllium-10.

For the new experiments, which took place in August 2021, the team’s idea was to essentially run the time-reversed reaction. That is, the researchers would start with beryllium-10 nuclei and add a proton.

Collaborators in Switzerland created a source of beryllium-10, which has a half-life of 1.4 million years, that NSCL could then use to produce radioactive beams with new reaccelerator technology. The technology evaporated and injected the beryllium into an accelerator and made it possible for researchers to make a highly sensitive measurement.

When beryllium-10 absorbed a proton of the right energy, the nucleus entered the same excited state the researchers believed they discovered three years earlier. It would even spit the proton back out, which can be detected as a signature of the process.

“The results of the two experiments are very compatible,” Ayyad said.

That wasn’t the only good news. Unbeknownst to the team, an independent group of scientists at Florida State University had devised another way to probe the 2019 result. Ayyad happened to attend a virtual conference where the Florida State team presented its preliminary results, and he was encouraged by what he saw.

“I took a screenshot of the Zoom meeting and immediately sent it to Wolfi,” he said. “Then we reached out to the Florida State team and worked out a way to support each other.”

The two teams were in touch as they developed their reports, and both scientific publications now appear in the same issue of Physical Review Letters. And the new results are already generating a buzz in the community.

“The work is getting a lot of attention. Wolfi will visit Spain in a few weeks to talk about this,” Ayyad said.

An open case on open quantum systems

Part of the excitement is because the team’s work could provide a new case study for what is known as open quantum systems. It’s an intimidating name, but the concept can be thought of like the old adage, “nothing exists in a vacuum.”

Quantum physics has provided a framework to understand the incredibly tiny components of nature: atoms, molecules, and much, much more. This understanding has advanced virtually every realm of physical science, including energy, chemistry, and materials science.

Much of that framework, however, was developed considering simplified scenarios. The super small system of interest would be isolated in some way from the ocean of input provided by the world around it. In studying open quantum systems, physicists are venturing away from idealized scenarios and into the complexity of reality.

Open quantum systems are literally everywhere, but finding one that’s tractable enough to learn something from is challenging, especially in matters of the nucleus. Mittig and Ayyad saw potential in their loosely bound nuclei and they knew that NSCL, and now FRIB could help develop it.

NSCL, a National Science Foundation user facility that served the scientific community for decades, hosted the work of Mittig and Ayyad, which is the first published demonstration of the stand-alone reaccelerator technology. FRIB, a U.S. Department of Energy Office of Science user facility that officially launched on May 2, 2022, is where the work can continue in the future.

“Open quantum systems are a general phenomenon, but they’re a new idea in nuclear physics,” Ayyad said. “And most of the theorists who are doing the work are at FRIB.”

But this detective story is still in its early chapters. To complete the case, researchers still need more data and more evidence to make full sense of what they’re seeing. That means Ayyad and Mittig are still doing what they do best and investigating.

“We’re going ahead and making new experiments,” said Mittig. “The theme through all of this is that it’s important to have good experiments with strong analysis.”

Reference: “Evidence of a Near-Threshold Resonance in 11B Relevant to the β-Delayed Proton Emission of 11Be” Y. Ayyad, W. Mittig, T. Tang, B. Olaizola, G. Potel, N. Rijal, N. Watwood, H. Alvarez-Pol, D. Bazin, M. Caamaño, J. Chen, M. Cortesi, B. Fernández-Domínguez, S. Giraud, P. Gueye, S. Heinitz, R. Jain, B. P. Kay, E. A. Maugeri, B. Monteagudo, F. Ndayisabye, S. N. Paneru, J. Pereira, E. Rubino, C. Santamaria, D. Schumann, J. Surbrook, L. Wagner, J. C. Zamora and V. Zelevinsky, 1 June 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.012501

NSCL was a national user facility funded by the National Science Foundation, supporting the mission of the Nuclear Physics program in the NSF Physics Division.

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Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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Dos importantes institutos espaciales de África se unen al proyecto lunar liderado por China

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Dos importantes institutos espaciales de África se unen al proyecto lunar liderado por China

El 5 de abril, Hu Chaobin, subdirector del Laboratorio de Exploración del Espacio Profundo de China, firmó el memorando de entendimiento con la directora del SSGI, Abdissa Yilma, en la capital etíope de Addis Abeba, según la cuenta oficial de WeChat del laboratorio.

Durante su reunión, Yilma dijo que el instituto participará activamente y promoverá la construcción del ILRS. Mientras tanto, Hu dijo que esperaba que el proyecto ayudara a impulsar el desarrollo del sector aeroespacial y las tecnologías de exploración espacial de Etiopía.

Hu Chaobin, subdirector del Laboratorio de Exploración del Espacio Profundo de China, con Jennifer W. Khamasi, directora interina de KAIST, en la firma del memorando de entendimiento a principios de este mes. Foto: X/@AJ_FI

Luego, el 8 de abril, Hu firmó el memorando de cooperación con la directora interina del KAIST, Jennifer W. Khamasi, durante su visita a Konza Techno City, al sur de Nairobi.

El presidente de la junta directiva de KAIST, Emmanuel Mutisya, que también estuvo presente en la reunión, dijo que el instituto se beneficiaría de las oportunidades de investigación y educación generadas por la colaboración. con el ILRS. También le dijo a Hu que KAIST ayudaría a impulsar al gobierno de Kenia a unirse al proyecto.

Hu invitó a Yilma y Mutisya a asistir a la Conferencia Internacional sobre Exploración del Espacio Profundo, conocida como Foro Tiandu, que se celebrará en China en septiembre.

Estas últimas asociaciones se formaron durante el viaje del laboratorio a la conferencia NewSpace África celebrada en Angola la primera semana de abril.

En la conferencia, el discurso de apertura de Hu incluyó el primer llamado público a las naciones y organizaciones africanas para que se unan a la iniciativa ILRS.

Hasta el momento, la ILRS cuenta con nueve países miembros: China, Rusia, Venezuela, Pakistán, Azerbaiyán, Bielorrusia, Sudáfrica, Egipto y Tailandia. Países de la OTAN Según se informa, Turquía también pidió unirse. Además de estos, también cuenta con varios miembros que son institutos de investigación, universidades o empresas.
El frecuentemente visto programa Artemis liderado por Estados Unidos como rival al proyecto ILRS, cuenta ahora con un total de 38 países que han firmado sus acuerdos Artemis.

SSGI es anteriormente el Instituto Etíope de Ciencia y Tecnología Espaciales, que se estableció en 2016 como una importante iniciativa para impulsar las actividades de ciencia y tecnología espaciales en el país para el desarrollo sostenible.

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KAIST, actualmente en construcción en Konza Techno City, sigue el modelo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. Su objetivo es liderar investigaciones pioneras en ciencia y tecnología y formar científicos e ingenieros altamente calificados para la industrialización y modernización de Kenia, según el sitio web del instituto.

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El núcleo de Plutón probablemente fue creado por una antigua colisión

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El núcleo de Plutón probablemente fue creado por una antigua colisión

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Una enorme forma de corazón en la superficie de Plutón ha intrigado a los astrónomos desde que la nave espacial New Horizons de la NASA la capturó en una imagen de 2015. Los investigadores ahora creen que han resuelto el misterio de cómo surgió este corazón distintivo, y podría revelar nuevas pistas sobre los orígenes del planeta enano. .

Esta característica se llama Tombaugh Regio en honor al astrónomo Clyde Tombaugh, quien descubrió Plutón en 1930. Pero el núcleo no es solo un elemento, dicen los científicos. Y durante décadas, los detalles sobre la elevación de Tombaugh Regio, su composición geológica y forma distintiva, y su superficie altamente reflectante que es de un blanco más brillante que el resto de Plutón, han desafiado toda explicación.

Una cuenca profunda llamada Sputnik Planitia, que constituye el «lóbulo izquierdo» del núcleo, alberga gran parte del hielo de nitrógeno de Plutón.

La cuenca cubre un área de 745 millas por 1242 millas (1200 kilómetros por 2000 kilómetros), que es aproximadamente una cuarta parte del área de los Estados Unidos, pero también es de 1,9 a 2,5 millas (3 a 4 kilómetros) más baja. en elevación que la mayoría de los Estados Unidos. la superficie del planeta. Mientras tanto, el lado derecho del corazón también tiene una capa de hielo de nitrógeno, pero es mucho más delgada.

Gracias a una nueva investigación sobre Sputnik Planitia, un equipo internacional de científicos ha determinado que un evento cataclísmico creó el núcleo. Después de un análisis que incluyó simulaciones numéricas, los investigadores concluyeron que un cuerpo planetario de unos 700 kilómetros de diámetro, aproximadamente el doble del tamaño de Suiza de este a oeste, probablemente había chocado con Plutón en las primeras etapas de la historia del planeta enano.

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Los hallazgos son parte de un estudio sobre Plutón y su estructura interna publicado el lunes en la revista astronomía natural.

Anteriormente, el equipo había estudiado características inusuales en todo el sistema solar, como aquellas en la cara oculta de la Luna, probablemente creadas por colisiones durante los caóticos primeros días de la formación del sistema.

Los investigadores crearon simulaciones numéricas utilizando un software de hidrodinámica de partículas suavizadas, considerado la base para una amplia gama de estudios de colisiones planetarias, para modelar diferentes escenarios de posibles impactos, velocidades, ángulos y composiciones de la colisión teorizada del cuerpo planetario con Plutón.

Los resultados mostraron que el cuerpo planetario probablemente chocó contra Plutón en un ángulo inclinado en lugar de de frente.

«El núcleo de Plutón es tan frío que el (cuerpo rocoso que chocó con el planeta enano) permaneció muy duro y no se derritió a pesar del calor del impacto, y gracias al ángulo de impacto y la baja velocidad, el núcleo derretido del impactador no se hunde en el núcleo de Plutón, pero permanece intacto como una salpicadura en él”, dijo el autor principal del estudio, el Dr. Harry Ballantyne, investigador asociado de la Universidad de Berna en Suiza, en un comunicado de prensa.

Pero, ¿qué pasó con el cuerpo planetario después de que chocó con Plutón?

«En algún lugar debajo del Sputnik se encuentra el núcleo restante de otro cuerpo masivo, que Plutón nunca digirió por completo», dijo en un comunicado de prensa el coautor del estudio Erik Asphaug, profesor del Laboratorio Planetario y Lunar de la Universidad de Arizona.

La forma de lágrima del Sputnik Planitia es el resultado de la frigidez del núcleo de Plutón, así como de la velocidad relativamente baja del impacto en sí, descubrió el equipo. Otros tipos de impactos que fueron más rápidos y directos habrían creado una forma más simétrica.

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“Estamos acostumbrados a pensar en las colisiones planetarias como eventos increíblemente intensos cuyos detalles pueden ignorarse, excepto aspectos como la energía, el impulso y la densidad. Pero en el sistema solar distante, las velocidades son mucho más lentas y el hielo sólido es sólido, por lo que hay que ser mucho más preciso en los cálculos”, dijo Asphaug. «Ahí es donde comienza la diversión».

Mientras estudiaba la función cardíaca, el equipo también se centró en la estructura interna de Plutón. Un impacto temprano en la historia de Plutón habría creado un déficit de masa, provocando que Sputnik Planitia migrara lentamente hacia el polo norte del planeta enano con el tiempo, mientras el planeta aún se estaba formando. Esto se debe a que, según las leyes de la física, la cuenca es menos masiva que su entorno, explican los investigadores en el estudio.

Sin embargo, el Sputnik Planitia se encuentra cerca del ecuador del planeta enano.

Investigaciones anteriores han sugerido que Plutón podría tener un océano subsuperficial y, de ser así, la corteza helada sobre el océano subsuperficial sería más delgada en la región de Sputnik Planitia, creando una densa protuberancia de agua líquida y provocando una migración masiva hacia el ecuador”, señala el estudio. dijeron los autores.

Pero el nuevo estudio ofrece una explicación diferente para la ubicación de esta característica.

“En nuestras simulaciones, todo el manto primordial de Plutón queda ahuecado por el impacto, y cuando el material del núcleo del impactador salpica el núcleo de Plutón, crea un exceso de masa local que puede explicar la migración hacia el ecuador sin un océano subterráneo, o como mucho sin un océano subsuperficial muy delgado”, dijo el coautor del estudio, el Dr. Martin Jutzi, científico senior en investigación espacial y ciencias planetarias del Instituto de Física de la Universidad de Berna.

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Kelsi Singer, científica principal del Southwest Research Institute en Boulder, Colorado, y co-investigadora principal adjunta de la misión New Horizons de la NASA, que no participó en el estudio, dijo que los autores hicieron un trabajo extenso en la exploración de modelos y el desarrollo de sus hipótesis. . , aunque le hubiera gustado ver “una conexión más estrecha con la evidencia geológica”.

«Por ejemplo, los autores sugieren que la parte sur de Sputnik Planitia es muy profunda, pero gran parte de la evidencia geológica se ha interpretado en el sentido de que el sur es menos profundo que el norte», dijo Singer.

Los investigadores creen que la nueva teoría sobre el núcleo de Plutón podría arrojar más luz sobre la formación del misterioso planeta enano. Los orígenes de Plutón siguen siendo oscuros ya que existe en el borde del sistema solar y sólo ha sido estudiado de cerca por la misión New Horizons.

«Plutón es un vasto país de las maravillas con una geología única y fascinante, por lo que siempre son útiles hipótesis más creativas para explicar esta geología», dijo Singer. “Lo que ayudaría a distinguir entre las diferentes hipótesis es más información sobre el subsuelo de Plutón. Sólo podemos lograrlo enviando una nave espacial a la órbita de Plutón, potencialmente con un radar capaz de mirar a través del hielo.

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

El observatorio solar espacial STEREO-A de la NASA está monitoreando de cerca el «cometa del diablo» 12P/Pons-Brooks mientras se prepara para realizar su máxima aproximación al sol, conocida como perihelio, el 21 de abril.

En esta secuencia, el cometa pasa cerca de Júpiter desde la perspectiva del observatorio, justo cuando se lanza al espacio una eyección de masa coronal (CME), una gran expulsión de plasma y campo magnético del Sol.

Las CME se forman de la misma manera que las erupciones solares: son el resultado de la torsión y realineación del campo magnético del sol, conocido como reconexión magnética. Cuando estas líneas de campo magnético se “enredan”, producen fuertes campos magnéticos localizados que pueden atravesar la superficie del Sol y liberar CME.

Relacionado: El 'Cometa Diablo' 12P/Pons-Brooks se dirige hacia el sol. ¿Sobrevivirá?

Una animación que muestra el cometa 12P/Pons-Brooks brillando intensamente cerca de Júpiter cuando una gran CME es liberada del Sol el 12 de abril de 2024. (Crédito de la imagen: NASA STEREO/Edición de Steve Spaleta)
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