Amundsena – Skota dienvidpola stacijā Antarktīdā atrodas IceCube Neutrino observatorija - iekārta, kas paredzēta elementāru daļiņu, kas pazīstamas kā neitrīno, izpētei. Šis bloks sastāv no 5160 sfēriskiem optiskiem sensoriem - digitālajiem optiskajiem moduļiem (DOM) -, kas ir aprakti kubikkilometrā skaidra ledus. Pašlaik šī observatorija ir lielākais neitrīno detektors pasaulē un pēdējos septiņus gadus ir pavadījusi, pētot, kā šīs daļiņas uzvedas un mijiedarbojas.
Jaunākais pētījums, kas izdots sadarbībā ar IceCube sadarbībā ar Pensilvānijas štata universitātes fiziķiem, pirmo reizi ir izmērījis Zemes spēju bloķēt neitrīnus. Atbilstoši daļiņu fizikas standarta modelim, viņi noteica, ka, lai arī regulāri caur Zemi (un mūs) regulāri iziet triljoni neitrīnu, daži to laiku pa laikam aptur.
Pētījums ar nosaukumu “Multi-TeV neitrino mijiedarbības šķērsgriezuma mērīšana ar IceCube, izmantojot zemes absorbciju” nesen parādījās zinātniskā žurnālā Daba. Pētījuma grupas rezultāti balstījās uz novērojumiem 10 784 mijiedarbībās, ko veica augstas enerģijas, augšup virzās neitrīni, kas gada laikā tika reģistrēti observatorijā.
Jau 2013. gadā IceCube sadarbībā tika veikti pirmie augstas enerģijas neitrīnu noteikšanas gadījumi. Šie neitrīni - kuru izcelsme, domājams, bija astrofiziski - atradās petaelektronu voltos, padarot tos par visaugstākās enerģijas neitrīniem, kas līdz šim atklāti. IceCube meklē šo mijiedarbību pazīmes, meklējot Čerenkova starojumu, kas rodas pēc tam, kad tiek ātri palēninātas ātri uzlādētas daļiņas, mijiedarbojoties ar normālu vielu.
Atklājot neitrīnus, kas mijiedarbojas ar skaidru ledu, IceCube instrumenti spēja novērtēt neitrīnu enerģiju un pārvietošanās virzienu. Neskatoties uz šiem atklājumiem, tomēr palika noslēpums par to, vai kāda veida matērijas var apturēt neitrīno, kad tas pārvietojas pa kosmosu. Saskaņā ar daļiņu fizikas standarta modeli tam ir jānotiek dažkārt.
Pēc gada novērota mijiedarbība IceCube, zinātnes komanda atklāja, ka neitrīni, kuriem bija jābrauc vistālāk cauri Zemei, visticamāk nonāks detektorā. Kā Pensijas štata fizikas un astronomijas / astrofizikas profesors Dougs Kovens skaidroja Pensijas štata paziņojumā presei:
“Šis sasniegums ir svarīgs, jo tas pirmo reizi parāda, ka neitrīno enerģiju ar ļoti augstu enerģiju var absorbēt kaut kas - šajā gadījumā Zeme. Mēs zinājām, ka zemākas enerģijas neitrīni iet cauri gandrīz visam, taču, kaut arī mēs gaidījām, ka augstākas enerģijas neitrīni ir atšķirīgi, neviens iepriekšējs eksperiments nebija spējis pārliecinoši pierādīt, ka augstākas enerģijas neitrīnus var apturēt kaut kas. ”
Neitrīno esamību pirmo reizi ierosināja 1930. gadā teorētiskais fiziķis Volfgangs Pauli, kurš to pastāvēšanu postulēja kā veidu, kā izskaidrot beta sabrukšanu enerģijas likumu saglabāšanas ziņā. Tie tiek dēvēti tāpēc, ka ir elektriski neitrāli, un mijiedarbojas tikai ar matiem ļoti vāji - t.i., ar vāju subatomisko spēku un gravitācijas palīdzību. Sakarā ar to neitrīni regulāri iziet cauri normālai vielai.
Kamēr neitrīnus regulāri ražo zvaigznes un kodolreaktori šeit uz Zemes, pirmie neitrīni tika izveidoti Lielā sprādziena laikā. Tāpēc to mijiedarbības ar normālo matēriju izpēte var mums daudz pastāstīt par to, kā Visums attīstījās miljardu gadu laikā. Daudzi zinātnieki paredz, ka neitrīnu izpēte norādīs uz jaunas fizikas esamību, kas pārsniedz standarta modeli.
Tāpēc zinātnes komanda bija nedaudz pārsteigta (un, iespējams, sarūgtināta) par saviem rezultātiem. Kā skaidroja Fransisko Halzens - IceCube Neutrino observatorijas galvenais pētnieks un Viskonsinas-Medisonas universitātes fizikas profesors:
IceCube darbības atslēga ir izpratne par neitrīno mijiedarbību. Mēs, protams, cerējām, ka parādīsies kāda jauna fizika, bet mēs diemžēl atklājam, ka standarta modelis, kā parasti, iztur pārbaudi.
Lielākoties šim pētījumam atlasītie neitrīni bija vairāk nekā miljons reizes enerģiskāki nekā tie, kurus ražo mūsu Saule vai atomelektrostacijas. Analīzē tika iekļauti arī daži, kas pēc būtības bija astrofiziski - t.i., ražoti ārpus Zemes atmosfēras - un, iespējams, paātrināti Zemes virzienā ar supermasīviem melnajiem caurumiem (SMBH).
Alberta universitātes fizikas profesors Darrens Grants ir arī IceCube sadarbības pārstāvis. Kā viņš norādīja, šis jaunākais mijiedarbības pētījums paver iespējas turpmākiem neitrīno līmeņa pētījumiem. "Neutrīniem ir diezgan labi nopelnīta reputācija, kas mūs pārsteidz ar savu uzvedību," viņš teica. "Tas ir neticami aizraujoši redzēt šo pirmo mērījumu un tā potenciālu turpmākajiem precizitātes testiem."
Šis pētījums ne tikai sniedza pirmo neitrīno absorbcijas uz Zemes mērījumu, bet arī piedāvā iespējas ģeofizikas pētniekiem, kuri cer izmantot neitrīnus, lai izpētītu Zemes iekšieni. Ņemot vērā to, ka Zeme spēj apturēt dažus miljardus augstas enerģijas daļiņu, kas parasti caur to iziet, zinātnieki varētu izstrādāt metodi Zemes iekšējā un ārējā kodola izpētei, precīzāk ierobežojot to lielumu un blīvumu.
Tas arī parāda, ka IceCube observatorija spēj sasniegt to sākotnējo mērķi, kas bija daļiņu fizikas pētījums un neitrīnu izpēte. Kā skaidri parāda šis jaunākais pētījums, tas var dot ieguldījumu arī planētu zinātnes izpētē un kodolfizikā. Fiziķi arī cer izmantot pilnu 86 virkņu IceCube masīvu, lai veiktu vairāku gadu analīzi, pārbaudot vēl lielākus neitrīno enerģijas diapazonus.
Kā norādīja Džeimss Vitmors - Nacionālā zinātnes fonda (NSF) fizikas nodaļas (kas nodrošina atbalstu IceCube) programmas direktors, tas viņiem varētu ļaut patiesi meklēt fiziku, kas pārsniedz standarta modeli.
IceCube tika izveidots, lai izpētītu fizikas robežas un, to darot, iespējams, apstrīdētu esošos priekšstatus par Visuma dabu. Šis jaunais atklājums un citi vēl gaidāmie ir zinātniskā atklājuma garā. ”
Kopš Higsa boza atklāšanas 2012. gadā, fiziķi droši zināja, ka tagad ir pabeigts tālais ceļojums, lai apstiprinātu standarta modeli. Kopš tā laika viņi ir iestatījuši savas kopas tālāk, cerot atrast jaunu fiziku, kas varētu atrisināt dažus dziļākus Visuma noslēpumus - t.i., supersimetriju, teoriju par visu (ToE) utt.
Šis, kā arī pētījums par to, kā fizika strādā ar visaugstākajiem enerģijas līmeņiem (līdzīgi tiem, kas pastāvēja Lielā sprādziena laikā), ir pašreizējais fiziķu satraukums. Ja viņi gūst panākumus, mēs varbūt vienkārši sapratīsim, kā darbojas šī masīvā lieta, kas pazīstama kā Visums.
