Na stanici južného pólu Amundsen-Scott v Antarktíde leží observatórium IceCube Neutrino - zariadenie určené na štúdium elementárnych častíc známych ako neutrino. Toto pole sa skladá z 5 160 sférických optických senzorov - digitálnych optických modulov (DOMs) - zakopaných do kubického kilometra číreho ľadu. V súčasnosti je toto observatórium najväčším neutrínovým detektorom na svete a posledných sedem rokov strávil štúdiom toho, ako sa tieto častice správajú a interagujú.
Najnovšia štúdia zverejnená na základe spolupráce IceCube s pomocou fyzikov zo Pensylvánskej štátnej univerzity merala schopnosť Zeme blokovať neutrína prvýkrát. V súlade so štandardným modelom časticovej fyziky určili, že zatiaľ čo triliony neutrín prechádzajú Zemou (a nami) pravidelne, niektoré sú ňou občas zastavené.
Štúdia s názvom „Meranie prierezu interakcie Multi-TeV Neutrino s IceCube pomocou absorpcie Zeme“ sa nedávno objavila vo vedeckom časopise. Nature. Výsledky študijného tímu boli založené na pozorovaní 10 784 interakcií uskutočnených vysoko energetickými, vzostupne sa pohybujúcimi neutrínmi, ktoré boli zaznamenané v priebehu roka na observatóriu.
Už v roku 2013 sa prvé zistenia vysokoenergetických neutrín uskutočnili spoluprácou IceCube. Tieto neutrína, o ktorých sa predpokladá, že majú astrofyzikálny pôvod, boli v rozsahu peta-elektrónových voltov, čo z nich robí doteraz najvyšší energetický neutrín. IceCube hľadá príznaky týchto interakcií hľadaním Cherenkovovej radiácie, ktorá sa vytvára po spomalení rýchlo sa pohybujúcich nabitých častíc interakciou s normálnou hmotou.
Detekciou neutrín, ktoré interagujú s čírym ľadom, boli prístroje IceCube schopné odhadnúť energiu a smer pohybu neutrín. Napriek týmto odhaleniam však záhadou ostávalo, či by nejaká látka mohla zastaviť neutríno, keď prechádza vesmírom. V súlade so štandardným modelom časticovej fyziky by sa to malo stať príležitostne.
Po sledovaní interakcií v IceCube po dobu jedného roka vedecký tím zistil, že neutrína, ktoré museli cestovať najvzdialenejšie cez Zem, boli menej pravdepodobné, že sa dostanú k detektoru. Ako uviedol Doug Cowen, profesor fyziky a astronómie / astrofyziky v štáte Penn, v tlačovej správe Penn State uviedol:
„Tento úspech je dôležitý, pretože prvýkrát ukazuje, že veľmi vysoko energetické neutrína môžu byť absorbované niečím - v tomto prípade Zemou. Vedeli sme, že neutrína s nízkou energiou prechádzajú takmer všetkým, ale hoci sme očakávali, že neutrína s vyššou energiou sa budú líšiť, žiadne predchádzajúce experimenty nedokázali presvedčivo preukázať, že neutrína s vyššou energiou by mohla byť zastavená čímkoľvek. “
Existenciu neutrín prvýkrát navrhol teoretický fyzik Wolfgang Pauli v roku 1930, ktorý predpokladal ich existenciu ako spôsob vysvetlenia beta rozpadu z hľadiska zachovania energetického zákona. Sú pomenované, pretože sú elektricky neutrálne a s látkou interagujú iba veľmi slabo - tzn. Prostredníctvom slabej subatomárnej sily a gravitácie. Z tohto dôvodu neutrína pravidelne prechádzajú normálnou hmotou.
Zatiaľ čo neutrína sa tu pravidelne vyrábajú hviezdami a jadrovými reaktormi na Zemi, prvé neutrína sa vytvorili počas Veľkého tresku. Štúdium ich interakcie s normálnou hmotou nám preto môže povedať veľa o tom, ako sa vesmír vyvíjal v priebehu miliárd rokov. Mnoho vedcov očakáva, že štúdia neutrín bude naznačovať existenciu novej fyziky, ktorá presahuje štandardný model.
Z tohto dôvodu bol vedecký tím svojimi výsledkami trochu prekvapený (a možno sklamaný). Ako Francis Halzen - hlavný riešiteľ observatória IceCube Neutrino Observatory a profesor fyziky na University of Wisconsin-Madison - vysvetlil:
„Pochopenie interakcie neutrín je kľúčom k prevádzke IceCube. Dúfali sme samozrejme, že sa objaví nejaká nová fyzika, ale nanešťastie zistíme, že štandardný model, ako obvykle, vydrží test.
Z väčšej časti boli neutrína vybrané pre túto štúdiu viac ako miliónkrát energetickejšie ako tie, ktoré vyrábajú naše Slnko alebo jadrové elektrárne. Analýza tiež zahrnovala niektoré, ktoré boli svojou povahou astrofyzikálne - t.
Darren Grant, profesor fyziky na univerzite v Alberte, je tiež hovorcom organizácie IceCube Collaboration. Ako naznačil, táto posledná interakčná štúdia otvára dvere pre budúci výskum neutrín. "Neutrinos majú pomerne dobrú povesť, že nás prekvapujú svojím správaním," uviedol. „Je neuveriteľne vzrušujúce vidieť toto prvé meranie a potenciál, ktorý má pre budúce testy presnosti.“
Táto štúdia poskytla nielen prvé meranie absorpcie neutrín na Zemi, ale ponúka tiež príležitosti pre geofyzikálnych výskumníkov, ktorí dúfajú, že použijú neutrína na skúmanie vnútra Zeme. Vzhľadom na to, že Zem je schopná zastaviť niektoré miliardy vysokoenergetických častíc, ktoré ňou bežne prechádzajú, mohli by vedci vyvinúť metódu na štúdium vnútorného a vonkajšieho jadra Zeme, čo by presnejšie obmedzilo ich veľkosť a hustotu.
Ukazuje tiež, že observatórium IceCube je schopné prekročiť svoj pôvodný účel, ktorým bol výskum fyziky častíc a štúdium neutrín. Ako táto najnovšia štúdia jasne ukazuje, je schopná prispievať k výskumu v oblasti planét a k jadrovej fyzike. Fyzici tiež dúfajú, že na vykonanie viacročnej analýzy využijú 86-strunovú sústavu IceCube, ktorá preskúma ešte vyššie rozsahy neutrínových energií.
Ako uviedol James Whitmore - programový riaditeľ fyzickej divízie National Science Foundation (NSF) (ktorá poskytuje podporu pre IceCube), mohlo by to im umožniť skutočne vyhľadať fyziku, ktorá presahuje štandardný model.
„IceCube bol postavený tak, aby skúmal hranice fyziky, a tým aj spochybnil existujúce vnímanie povahy vesmíru. Tento nový nález a ďalšie, ktoré ešte len prídu, sú v duchu vedeckého objavu. “
Od objavu Higgsovho bozónu v roku 2012 mali fyzici istotu, že dlhá cesta na potvrdenie štandardného modelu je teraz dokončená. Odvtedy svoje sady nastavili ďalej a dúfali, že nájdu novú fyziku, ktorá by dokázala vyriešiť niektoré hlbšie tajomstvá vesmíru - t. J. Supersymetria, teória všetkého (ToE) atď.
Toto, ako aj štúdium toho, ako fyzika pracuje na najvyšších energetických úrovniach (podobných tým, ktoré existovali počas Veľkého tresku), je súčasným záujmom fyzikov. Ak budú úspešné, mohli by sme len pochopiť, ako funguje táto masívna vec známa ako vesmír.
