Az IceCube kísérlet felszíni létesítménye, amely közel 1,6 kilométer jég alatt található Antarktiszon. Az IceCube szerint a kísérteties neutrínók nem léteznek, de egy új kísérlet szerint ilyenek.
(Kép: © az IceCube Neutrino Obszervatórium jóvoltából)
Az Antarktisz jeges sivatagában egy hatalmas részecskedetektor ül, az IceCube Neutrino Observatory. A műszer felületének kutatása azonban nehéznek bizonyul, mivel az obszervatórium nagy része csapdába esett a jég alatt. A nemzetközi megfigyelőközpont neutrinókat keres - tömeg nélküli, töltötlen részecskéket, amelyek szinte soha nem lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Megfigyelései megoldhatják a csillagászat egyik legnagyobb rejtélyét, megválaszolva a neutrínók és a kozmikus sugarak eredetének kérdéseit.
A legnagyobb közülük
Az IceCube Neutrino Obszervatórium egy köbkilométert tesz ki a déli pólus közelében. A műszer egy négyzetkilométernyi felületet fed le, és 1500 méter mélységig 4720 láb (méter) lenyúlik. Ez az első gigatonton neutrinodetektor, amelyet valaha építettek.
Míg az IceCube fényképei gyakran mutatnak egy épületet, amely a havas felületen ül, az igazi munka az alábbiak szerint történik. A többcélú kísérlet tartalmaz egy felszíni tömböt, az IceTop-t, egy 81 állomásból álló sorozatot, amely a húrok felett ül. Az IceTop kalibrációs detektorként szolgál az IceCube számára, valamint kimutatja az elsődleges kozmikus sugarakból származó levegőzuhanyokat, azok fluxusát és összetételét.
A sűrű belső aldetektor, a DeepCore az IceCube kísérlet erőműve. Az IceTop állomások mindegyike digitális optikai modulokhoz (DOM) csatlakoztatott húrokból áll, amelyeket egy hatszögletű rácson helyeznek el, amely egymástól 125 méter távolságra van. Minden húr 60 kosárlabda méretű DOM-ot tartalmaz. Itt, a jég mélyén, az IceCube képes vadászni a napból, a Tejútból és a galaxisból származó neutrínókra. Ezek a kísérteties részecskék össze vannak kötve kozmikus sugarakkal, a legnagyobb energiarészecskékkel, amelyeket valaha megfigyeltünk.
[Kapcsolódó: A neutrino nyomkövetése a forrásához: A felfedezés a képekben]
Titokzatos részecskék
A kozmikus sugarakat először 1912-ben fedezték fel. A sugárzás erőteljes kitörései folyamatosan ütköznek a Földdel, és bejutnak a galaxis minden részéből. A tudósok kiszámították, hogy a töltött részecskéknek az univerzum legfélelõsebb és legkevésbé érthetõ objektumaiban és eseményeiben kell megjelenniük. Egy csillag, a szupernóva robbanásveszélyes csillaghalála lehetővé teszi a kozmikus sugarak létrehozását; a galaxisok közepén lévő aktív fekete lyukak egy másik.
Mivel a kozmikus sugarak töltött részecskékből állnak, viszont kölcsönhatásba lépnek a csillagok és más tárgyak mágneses tereivel, amelyekről elhaladnak. A mezők meghajlanak és elmozdítják a kozmikus sugarak útját, így a tudósok lehetetlenné teszik őket, hogy vissza tudják vezetni őket a forrásukig.
A neutrinók itt játszanak. A kozmikus sugarakhoz hasonlóan úgy gondolják, hogy az alacsony tömegű részecskék erőszak útján is kialakulnak. Mivel azonban a neutrinóknak nincs töltése, a mágneses terekkel haladnak át útjuk megváltoztatása nélkül, egyenes vonalban a forrástól.
"Ezért a kozmikus sugarak forrásainak keresése vált a nagyon nagy energiájú neutrinók keresésére" - állítja az IceCube weboldala.
Ugyanakkor ugyanazok a tulajdonságok, amelyek a neutrínókat ilyen jó hírvivőké teszik, azt is jelentik, hogy ezeket nehéz felismerni. Másodpercenként körülbelül 100 milliárd neutrinó halad át a testének négyzet hüvelykjén. Legtöbbjük a napból származik, és nem elég energiás ahhoz, hogy az IceCube felismerje azokat, ám valószínűleg néhányat a Tejút útján állítottak elő.
A neutrinók észlelésekor nagyon tiszta anyagok, például víz vagy jég, használata szükséges. Amikor egyetlen neutrinó összeomlik egy atom belsejében lévő protonra vagy neutronra, a kapott nukleáris reakció másodlagos részecskéket képez, amelyek kék fényt bocsátanak ki, amelyet Cherenkov sugárzásnak hívnak.
"Az általunk észlelt neutrinók olyan ujjlenyomatok, amelyek segítenek megérteni azokat a tárgyakat és jelenségeket, ahol a neutrínók keletkeznek" - mondta az IceCube csapat.
Mostoha körülmények
A déli pólus valószínűleg nem a világűr, de saját kihívásokkal jár. A mérnökök 2004-ben kezdték meg az IceCube építését, egy hétéves projektet, amelyet 2010-ben fejeztek be az ütemterv szerint. Az építkezésre évente csak néhány hónapig lehetett sor kerülni, a déli félteké nyárán, amely november-februárban zajlik.
A 86 lyuk fúrásához speciális típusú fúróra volt szükség - valójában kettő közül. Az első a fenyőn haladt át, egy tömörített hóréteggel, kb. 50 méterre. Ezután nagynyomású forróvizes fúró olvadt a jégen körülbelül 2 méter (6,5 láb) sebességgel percenként, 2450 méter (8,038 láb vagy 1,5 mérföld) mélységére.
"A két fúró együttesen képes volt szinte tökéletes függőleges lyukakat létrehozni, amelyek készen állnak a műszerek telepítésére, kétnaponként egy lyuk sebességgel" - nyilatkozta az IceCube.
A húrokat ezután gyorsan el kellett helyezni az olvasztott vízbe, mielőtt a jég újra megfagyna. A fagyasztás néhány héten át tartózkodott a stabilizáción, ezután az eszközök érintetlenek maradtak, véglegesen befagytak a jégbe, és nem voltak javíthatók. A műszerek meghibásodási aránya rendkívül lassú volt, az 5500 érzékelő közül kevesebb mint 100 nem működik.
Az IceCube a kezdetektől kezdte megfigyeléseit, még akkor is, amikor más karakterláncokat telepítettek.
A projekt első indulásakor a kutatók nem voltak tisztában arról, hogy a fény mennyi távolságra halad át a jégen - mondta Halzen. Az információk jól megalapozott formájában az együttműködés az IceCube-Gen2 felé irányul. A korszerűsített obszervatórium hozzávetőlegesen 80 további detektorcsíkot fog hozzáadni, míg a jég tulajdonságainak megértése lehetővé teszi a kutatók számára, hogy az érzékelőket szélesebb távolságra helyezzék el, mint eredeti konzervatív becslésüknél. Az IceCube-Gen2-nek megkétszereződnie kell a obszervatórium méretének, nagyjából azonos költségekkel.
Hihetetlen tudomány
Az IceCube még a befejezése előtt megkezdte a neutrinos vadászatot, és számos érdekes tudományos eredményt hozott az út során.
2010. május és 2012. május között az IceCube 28 nagyon magas energiatartalmú részecskét észlelt. Halzen a detektor ezen szélsőséges események megfigyelésének képességét a detektor befejezésének tulajdonította.
"Ez az első jele annak, hogy a nagyon magas energiájú neutrínók a Naprendszerünkről kívülről érkeznek, és több mint egymilliószoros energiával rendelkeznek, mint amelyeket 1987-ben megfigyeltünk a Nagy Magellán Felhőben látott szupernóva kapcsán" - mondja Halzen nyilatkozatában. "Örömteli, hogy végre meglátjuk, amit keresünk. Ez a csillagászat új korszakának hajnala."
2012 áprilisában egy nagy energiájú neutrinót észleltek, Bertnek és Ernie-nek nevezték el, a "Szezám utca" gyermek-televíziós show karakterei után. Az 1 petaelektronvolt (PeV) feletti energiával a pár volt az első véglegesen kimutatott neutrinos a Naprendszer kívülről az 1987-es szupernóva óta.
"Ez egy nagy áttörés" - mondta Uli Katz, a németországi Erlangen-Nürnberg Egyetem részecskefizikusa, aki nem vett részt a kutatásban. "Szerintem ez az abszolút nagy felfedezések az asztro-részecskefizikában" - mondta Katz a Space.com-nak.
Ezek a megfigyelések eredményeként az IceCube elnyerte az Év Fizikai Világa 2013 áttörését.
Egy másik jelentős kifizetés 2012. december 4-én érkezett, amikor az obszervatórium észlelt egy eseményt, amelyet a tudósok Big Birdnek hívtak, szintén a "Sesame Street" -ről. A Big Bird olyan neutrino volt, amelynek energiája meghaladta a 2 kvadrillió elektronvolt, több mint millió milliószor nagyobb, mint egy fogászati röntgen energiája, egyetlen részecskébe csomagolva, amelynek kevesebb, mint egymillió tömege van. Abban az időben ez volt a legnagyobb energiájú neutrinó, amelyet valaha észleltek; 2018-tól továbbra is a második helyet foglalja el.
A NASA Fermi Gamma-ray Űrtávcsőjének segítségével a tudósok a Big Bird-t a PKS B1424-418 néven ismert blazár rendkívül energikus kitörésére kötötték. A blazárokat szupermasszív fekete lyukak hajtják a galaxis közepén. Ahogy a fekete lyuk lebomlik az anyagnak, az anyag egy részét olyan fúvókává alakítják, amelyek annyi energiát hordoznak, hogy meghaladják a galaxisban levő csillagokat. A fúvókák felgyorsítják az anyagot, létrehozva neutrinokat és az atomfragmenseket, amelyek valamilyen kozmikus sugarat hoznak létre.
2012 nyarától kezdve a blazár 15 és 30 alkalommal világosabb a gamma-sugarakban, mint a kitörés előtt átlagosan. A TANAMI nevű hosszú távú megfigyelési program keretében, amely rendszeresen megfigyelt közel 100 aktív galaxist a déli égen, kiderült, hogy a galaxis sugárhajtójának magja négyszer megvilágult 2011 és 2013 között.
"A TANAMI által a program teljes időtartama alatt megfigyelt galaxisunk egyike sem mutatott ilyen drámai változást" - mondta Eduardo Ros, a németországi Max Planck Rádiós Csillagászati Intézet (MPIfR) egy 2016. évi nyilatkozatában. A csapat kiszámította, hogy a két esemény összekapcsolódott.
"Figyelembe véve az összes megfigyelést, úgy tűnik, hogy a blazárnak rendelkezett eszközök, motívumok és lehetőségek a Big Bird neutrinó felgyulladására, ami elsődleges gyanúsítotttá teszi" - mondta Matthias Kadler, a Würzburgi Egyetem asztrofizikai professzora. Németország."
2018. júliusában az IceCube bejelentette, hogy először nyomon követte a neutrinókat a forródól. 2017 szeptemberében, az újonnan telepített riasztórendszernek köszönhetően, amely az erős neutrínójelölt észlelésétől számított perceken belül a világ minden táján átadódik a tudósoknak, a kutatók képesek voltak gyorsan elcsúsztatni távcsöveiket az új jel eredete felé. Fermi figyelmeztette a kutatókat egy aktív blazár jelenlétére, melynek neve TXS-0506 + 056, az ég ugyanazon a részén. Az új megfigyelések megerősítették, hogy a blazár meggyullad, és a szokásosnál fényesebb energiát bocsát ki.
A TXS általában egy tipikus blazár; ez a Fermi által észlelt 100 legfényesebb blazár. Noha a 99 másik személy is fényes, mégsem dobták el a neutrinókat az IceCube felé. Az elmúlt hónapokban a TXS százszor erősebb volt, világosabb és tompított, mint az előző években.
"Az IceCube által detektált nagy energiatartalmú neutrino visszatérése a TXS 0506 + 056-ra visszaállítja ezt az első alkalmat, amikor egy adott objektumot azonosíthattunk egy ilyen nagy energiatartalmú neutrinó valószínű forrásaként" - mondta Gregory Sivakoff, a University A kanadai Alberta hivatalos nyilatkozata szerint.
Az IceCube még nem fejeződött be. Az új riasztórendszer a csillagászokat a következő években a lábujjain tartja. Az obszervatórium tervezett élettartama 20 év, tehát van még legalább egy évtizednyi hihetetlen felfedezés a Déli-sark obszervatóriumból.
