Na stacji bieguna południowego Amundsen – Scott na Antarktydzie znajduje się Obserwatorium Neutrino IceCube - placówka zajmująca się badaniem cząstek elementarnych zwanych neutrino. Ta tablica składa się z 5160 sferycznych czujników optycznych - cyfrowych modułów optycznych (DOM) - zakopanych w odległości kilometra sześciennego czystego lodu. Obecnie to obserwatorium jest największym detektorem neutrin na świecie i przez ostatnie siedem lat badało, w jaki sposób te cząsteczki zachowują się i oddziałują.
Najnowsze badania opublikowane we współpracy z IceCube, z pomocą fizyków z Pennsylvania State University, zmierzyły zdolność Ziemi do blokowania neutrin po raz pierwszy. Zgodnie ze Standardowym Modelem Fizyki Cząstek ustalili, że podczas gdy biliony neutrin przechodzą regularnie przez Ziemię (i nas), niektóre z nich są czasami zatrzymywane przez nią.
Badanie zatytułowane „Pomiar przekroju interakcji Neutrino Multi-TeV z IceCube przy użyciu absorpcji ziemi” niedawno ukazało się w czasopiśmie naukowym Natura. Wyniki zespołu badawczego oparto na obserwacji 10 784 interakcji wykonanych przez wysokoenergetyczne, poruszające się w górę neutrina, które zarejestrowano w ciągu roku w obserwatorium.
W 2013 r. Pierwsze wykrycia neutrin wysokoenergetycznych dokonano dzięki współpracy IceCube. Te neutrina - które uważane były za astrofizyczne - były w zakresie napięcia peta-elektronu, co czyni je neutrinami o najwyższej energii odkrytymi do tej pory. IceCube szuka oznak tych interakcji, szukając promieniowania Czerenkowa, które powstaje po spowolnieniu szybko poruszających się naładowanych cząstek poprzez oddziaływanie z normalną materią.
Wykrywając neutrina oddziałujące z czystym lodem, instrumenty IceCube były w stanie oszacować energię i kierunek podróży neutrin. Mimo tych wykrytych zagadek pozostaje jednak tajemnica, czy jakakolwiek materia mogłaby zatrzymać neutrino podczas podróży w kosmos. Zgodnie ze standardowym modelem fizyki cząstek elementarnych jest to coś, co powinno się zdarzyć czasami.
Po rocznych obserwacjach interakcji w IceCube zespół naukowy odkrył, że neutrina, które musiały podróżować najdalej przez Ziemię, rzadziej docierają do detektora. Jak Doug Cowen, profesor fizyki i astronomii / astrofizyki w Penn State, wyjaśnił w komunikacie prasowym Penn State:
„To osiągnięcie jest ważne, ponieważ pokazuje po raz pierwszy, że neutrina o bardzo wysokiej energii mogą być przez coś wchłaniane - w tym przypadku przez Ziemię. Wiedzieliśmy, że neutrina o niższej energii przechodzą przez prawie wszystko, ale choć spodziewaliśmy się, że neutrina o wyższej energii będą inne, żadne wcześniejsze eksperymenty nie były w stanie przekonująco wykazać, że neutrina o wyższej energii mogą zostać zatrzymane przez cokolwiek. ”
Istnienie neutrin zostało po raz pierwszy zaproponowane w 1930 r. Przez fizyka teoretycznego Wolfganga Pauli, który postulował ich istnienie jako sposób wyjaśnienia rozpadu beta pod kątem zachowania prawa energetycznego. Są tak nazwane, ponieważ są elektrycznie obojętne i oddziałują jedynie z materią bardzo słabo - tj. Poprzez słabą siłę subatomową i grawitację. Z tego powodu neutrina regularnie przechodzą przez normalną materię.
Podczas gdy neutrina są wytwarzane regularnie przez gwiazdy i reaktory jądrowe na Ziemi, pierwsze neutrina powstały podczas Wielkiego Wybuchu. Badanie ich interakcji z normalną materią może zatem wiele powiedzieć o tym, jak Wszechświat ewoluował przez miliardy lat. Wielu naukowców przewiduje, że badania neutrin wskażą na istnienie nowej fizyki, wykraczającej poza Model Standardowy.
Z tego powodu zespół naukowy był nieco zaskoczony (i być może rozczarowany) swoimi wynikami. Jak wyjaśnił Francis Halzen - główny badacz IceCube Neutrino Observatory i profesor fizyki na University of Wisconsin-Madison:
„Zrozumienie interakcji neutrin jest kluczem do działania IceCube. Oczywiście liczyliśmy na pojawienie się nowej fizyki, ale niestety okazało się, że Model Standardowy, jak zwykle, wytrzymuje test.
W przeważającej części neutrina wybrane do tego badania były ponad milion razy bardziej energetyczne niż te wytwarzane przez nasze Słońce lub elektrownie jądrowe. Analiza objęła również niektóre, które były z natury astrofizyczne - tj. Wytwarzane poza ziemską atmosferą - i mogły zostać przyspieszone w kierunku Ziemi przez supermasywne czarne dziury (SMBH).
Darren Grant, profesor fizyki na uniwersytecie w Albercie, jest także rzecznikiem IceCube Collaboration. Jak wskazał, to ostatnie badanie interakcji otwiera drzwi do przyszłych badań nad neutrinami. „Neutrina mają dość zasłużoną reputację, zaskakując nas swoim zachowaniem” - powiedział. „To niezwykle ekscytujące zobaczyć ten pierwszy pomiar i jego potencjał w przyszłych testach dokładności.”
To badanie nie tylko dostarczyło pierwszego pomiaru absorpcji neutrin przez Ziemię, ale także oferuje możliwości badaczom geofizycznym, którzy mają nadzieję na użycie neutrin do badania wnętrza Ziemi. Biorąc pod uwagę, że Ziemia jest w stanie zatrzymać niektóre miliardy cząstek wysokoenergetycznych, które rutynowo przez nią przechodzą, naukowcy mogą opracować metodę badania wewnętrznego i zewnętrznego rdzenia Ziemi, nakładając dokładniejsze ograniczenia na ich rozmiary i gęstości.
Pokazuje także, że Obserwatorium IceCube może wykraczać poza swój pierwotny cel, jakim były badania fizyki cząstek i badanie neutrin. Jak wyraźnie pokazują to najnowsze badania, może on również przyczynić się do badań w dziedzinie nauk planetarnych i fizyki jądrowej. Fizycy mają również nadzieję, że wykorzystają pełną 86-strunową macierz IceCube do przeprowadzenia wieloletniej analizy, badającej jeszcze większy zakres energii neutrin.
Jak wskazał James Whitmore - dyrektor programu w dziale fizyki National Science Foundation (NSF) (który zapewnia wsparcie dla IceCube) - może to pozwolić im naprawdę szukać fizyki, która wykracza poza model standardowy.
„IceCube został zbudowany zarówno do eksploracji granic fizyki, jak i do zakwestionowania istniejącej percepcji natury wszechświata. To nowe odkrycie i jeszcze inne będą w duchu naukowego odkrycia. ”
Od odkrycia bozonu Higgsa w 2012 r. Fizycy mieli pewność, że długa podróż w celu potwierdzenia Modelu Standardowego jest już zakończona. Od tego czasu ustawili swoje zestawy dalej, mając nadzieję na znalezienie nowej fizyki, która mogłaby rozwiązać niektóre z głębszych tajemnic Wszechświata - tj. Supersymetria, teoria wszystkiego (ToE) itp.
To, podobnie jak badanie działania fizyki na najwyższych poziomach energii (podobnych do tych, które istniały podczas Wielkiego Wybuchu), jest obecnym zajęciem fizyków. Jeśli im się powiedzie, możemy po prostu zrozumieć, jak działa ta ogromna rzecz zwana Wszechświatem.
