Depois que seu estudo independente ajudou Peña a aprovar o cálculo da AP como júnior, seu fascínio pela física o levou à Universidade do Sul da Califórnia, a sessão de 2019 do programa de pesquisa de verão do MIT e depois o MIT para a pós -graduação. Hoje, ele está trabalhando para esclarecer os neutrinos, as partículas fantasmagóricas não carregadas que escorregam sem esforço pela matéria. Partículas que exigiriam uma parede de chumbo cinco anos-luz de espessura para parar.
Como um estudante de graduação no laboratório de Joseph Formaggio, um físico experimental conhecido por pioneiros novas técnicas na detecção de neutrinos, Peña trabalha ao lado de líderes de físicos que projetam a tecnologia para medir com precisão quais são as partículas mais ilusórias do universo. Emanando de fontes como o Sol e Supernovas (e geradas artificialmente por aceleradores de partículas e reatores nucleares), os neutrinos revelam sua presença através da ausência. Sua existência foi inicialmente postada na década de 1930 pelo físico Wolfgang Pauli, que percebeu que a energia parecia desaparecer quando os átomos foram submetidos a um processo conhecido como decadência beta radioativa. De acordo com a lei da conservação de energia, a energia total das partículas emitidas durante a decaimento radioativa deve ser igual à energia do átomo em decomposição. Para explicar a energia ausente, Pauli propôs a existência de uma partícula indetectável que a levava embora.
Einstein’s E = mc2 nos diz que, se falta energia, a massa também deve ser. No entanto, de acordo com o modelo padrão de física – que oferece nossa teoria mais confiável para como as partículas se comportam – os neutrinos não devem ter massa. Ao contrário de outras partículas, elas não interagem com o campo Higgs, uma espécie de melaço cósmico que diminui as partículas e lhes dá massa. Como eles passam por isso intocados, devem permanecer sem massa.
Mas no início dos anos 2000, os pesquisadores descobriram que os neutrinos, que haviam sido detectados pela primeira vez na década de 1950, podem mudar entre três tipos, um feito possível apenas se tiverem massa. Então agora a pergunta tentadora é: o queésua massa?
Determinar a massa exata dos neutrinos poderia explicar por que a matéria triunfou sobre o antimatérias, refina modelos de evolução cósmica e esclarecer o papel das partículas na matéria escura e na energia escura. E o Formaggio Lab faz parte do Projeto 8, uma colaboração internacional de 71 cientistas em 17 instituições que trabalham para fazer essa medição. Para fazer isso, o laboratório usa trítio, um isótopo instável de hidrogênio que decapita -se em hélio, liberando um elétron e uma partícula chamada antineutrino (“toda partícula tem uma contraparte antipartícula”, explica Formaggio). Ao medir com precisão o espectro de energia desses elétrons, os cientistas podem determinar quanta energia está faltando, permitindo que eles inferirem a massa dos neutrinos.
No coração deste experimento, há um novo método de detecção chamado espectroscopia de emissão de radiação ciclotron (CREs), proposta pela primeira vez em 2008 por Formaggio e seu então pós -doutorado Benjamin Monreal, que “ouve” os sinais de rádio fracos emitidos como espiral de elétrons através de um campo magnético. Peña foi fundamental para projetar uma parte crucial da ferramenta que tornará isso possível: uma cavidade de cobre que ele compara a um violão, com os elétrons liberados durante a decaimento beta agindo como cordas arrancadas. A cavidade amplificará seus sinais, ajudando os pesquisadores a medi -los exatamente. Peña passou mais de um ano desenvolvendo e refinando um protótipo de tamanho de lanterna do dispositivo em colaboração com maquinistas e colegas físicos.
Jessica Chomik-Morales, SM ’25
“Ele teve que aprender o software (design e simulação), descobrir como interpretar os sinais e testar a iteração após a iteração”, diz Formaggio, consultor de Peña. “Tem sido incrível vê -lo levar isso de uma idéia aproximada a um design funcional”.
O design da cavidade de Peña teve que equilibrar as demandas concorrentes. Precisava de uma maneira de extrair os sinais dos elétrons que eram compatíveis com os métodos dos pesquisadores para calibrar o sistema, um dos quais envolve o uso de uma pistola de elétrons para injetar elétrons de uma energia conhecida e precisa na cavidade. E também precisava preservar as propriedades dos campos eletromagnéticos dentro da cavidade. Em maio, Peña enviou seu protótipo final para a Universidade de Washington, onde foi instalado em julho. Os pesquisadores esperam começar a calibração neste outono. Em seguida, a cavidade de Peña e a configuração experimental completa serão ampliadas para que, em alguns anos, eles possam começar a coletar dados do CREs usando trítio.
