Az Antarktiszon, az Amundsen – Scott South Pole állomáson fekszik az IceCube Neutrino Obszervatórium - egy létesítmény, amely neutrinó néven ismert elemi részecskék tanulmányozására szolgál. Ez a sor 5160 gömb alakú optikai érzékelőből áll - digitális optikai modulokból (DOM) -, amelyek egy köbkilométer tiszta jégbe vannak eltemetve. Jelenleg ez az obszervatórium a világ legnagyobb neutrinodetektorja, és az elmúlt hét évben arra törekedett, hogy tanulmányozza, hogyan viselkednek és kölcsönhatásban vannak ezek a részecskék.
Az IceCube együttműködés által a Pennsylvania Állami Egyetemen dolgozó fizikusok közreműködésével kiadott legfrissebb tanulmány először megmérte a Föld azon képességét, hogy blokkolja a neutrinókat. A részecskefizika szokásos modelljével összhangban meghatározták, hogy míg a billió neutrínók rendszeresen haladnak át a Földön (és nekünk), néha néhány megállítja azt.
A „A multi-TeV neutrino interakció keresztmetszetének mérése az IceCube-val a föld abszorpciójának felhasználásával” című tanulmány nemrégiben jelent meg a tudományos folyóiratban Természet. A vizsgálócsoport eredményei 10 784 nagy energiájú, felfelé mozgó neutrinó kölcsönhatások megfigyelésén alapultak, amelyeket egy év alatt rögzítettek a obszervatóriumban.
2013-ban az IceCube együttműködésével elvégezték a nagy energiájú neutrinók első felismerését. Ezek a neutrínók - amelyekről feltételezték, hogy asztrofizikai eredetűek - a petaelektron volt tartományban voltak, így a mai napig felfedezett legnagyobb energiájú neutrinók voltak. Az IceCube ezen kölcsönhatások jeleit keresi Cherenkov-sugárzás keresésével, amely akkor fordul elő, ha a gyorsan mozgó töltött részecskék lelassulnak, amikor a normál anyaggal kölcsönhatásba lépnek.
A tiszta jéggel kölcsönhatásba lépő neutrinók felismerésével az IceCube műszerek képesek voltak megbecsülni a neutrinók energiáját és haladási irányát. Ezen felismerések ellenére továbbra is rejtély maradt arról, hogy az űrben haladva bármilyen anyag képes-e megállítani a neutrínót. A részecskefizika szokásos modelljével összhangban ennek valaminek meg kell történnie.
Miután egy éven keresztül megfigyelték az interakciókat az IceCube-on, a tudományos csapat megállapította, hogy azok a neutrinók, amelyeknek a Földön a legtávolabb kell haladniuk, kevésbé valószínű, hogy elérik a detektorot. Amint Doug Cowen, a fizikai és csillagászati / asztrofizikai professzor a Penn State-ben egy Penn State sajtóközleményben kifejtette:
„Ez az eredmény azért fontos, mert ez először mutatja, hogy a nagyon nagy energiájú neutrinókat valami - ebben az esetben a Föld - felszívhatja. Tudtuk, hogy az alacsonyabb energiájú neutrinók szinte bármi mentén átjutnak, de noha arra számítottuk, hogy a nagyobb energiájú neutrinók különböznek egymástól, egyetlen korábbi kísérlet sem volt képes meggyőzően bebizonyítani, hogy a nagyobb energiájú neutrinókat bármi megállíthatja. "
A neutrínók létezését 1930-ban először Wolfgang Pauli elméleti fizikus javasolta, akik létezésüket posztulálták a béta-bomlás magyarázatának egyik módjaként az energiajog megőrzése szempontjából. Azért nevezték el őket, mert elektromosan semlegesek, és csak az anyaggal nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba - azaz a gyenge szubatomi erő és gravitáció révén. Emiatt a neutrinók rendszeresen átjutnak a normál anyagon.
Míg a csillagok és a nukleáris reaktorok rendszeresen állítják elő a neutrínókat a Földön, az első neutrínókat a Nagyrobbanás során alakították ki. Ezért a normál anyaggal való kölcsönhatásuk vizsgálata sokat mondhat nekünk arról, hogy az univerzum hogyan fejlődött több milliárd év alatt. Sok tudós úgy vélte, hogy a neutrinók tanulmányozása új fizika létezését fogja jelezni, amelyek meghaladják a standard modellt.
Emiatt a tudományos csapat kissé meglepett (és talán csalódott is) az eredményekkel. Mint Francis Halzen - az IceCube Neutrino Obszervatórium vezető kutatója és a Wisconsin-Madison Egyetem fizikai professzora - elmagyarázta:
“Az IceCube működésének kulcsa az, hogy megértsük, hogyan működnek a neutrinók. Természetesen reméljük, hogy megjelenik egy új fizika, de sajnos azt tapasztaljuk, hogy a standard modell, mint általában, ellenáll a tesztnek.
A vizsgálathoz kiválasztott neutrínók többnyire több mint egymilliószor energiábbak voltak, mint a Nap vagy atomerőműveink. Az elemzés tartalmazott néhány olyan asztrofizikai természetű - vagyis a Föld légkörén túl előállított - anyagot, amelyet a szupermasszív fekete lyukak (SMBH) felgyorsítottak a Föld felé.
Darren Grant, az Alberta Egyetem fizikai professzora, az IceCube Együttműködés szóvivője. Mint azt jelezte, ez a legújabb interakciós tanulmány ajtót nyit a jövőbeni neutrino kutatásokhoz. "A neutronók jól megszerzett hírneve meglep minket viselkedésével" - mondta. "Hihetetlenül izgalmas látni ezt az első mérést és a jövőbeni precíziós tesztekben rejlő lehetőségeket."
Ez a tanulmány nemcsak a Földnek a neutrínók abszorpciójának első mérését szolgálta, hanem lehetőséget kínál a geofizikai kutatók számára is, akik a neutrínók felhasználásával remélik a Föld belsejének felfedezésére. Mivel a Föld képes megállítani a rendszeresen áthaladó nagy energiájú részecskék milliárdjait, a tudósok kidolgozhattak egy módszert a Föld belső és külső magjának tanulmányozására, pontosabb korlátozásokra helyezve a méretüket és sűrűségüket.
Ez azt is mutatja, hogy az IceCube Obszervatórium képes meghaladni eredeti célját, amely részecskefizikai kutatás és a neutrinók tanulmányozása volt. Amint ez a legújabb tanulmány egyértelműen kimutatja, képes hozzájárulni a bolygótudományi kutatásokhoz és a nukleáris fizikához is. A fizikusok azt is remélik, hogy a teljes 86 húros IceCube tömböt felhasználják egy többéves elemzés elvégzéséhez, még magasabb neutrinoenergia-tartományok megvizsgálásával.
Ahogyan James Whitmore - a Nemzeti Tudományos Alapítvány (NSF) fizikai részlegének programigazgatója (amely támogatást nyújt az IceCube-nak) - ez lehetővé tenné számukra, hogy valóban olyan fizikát keressenek, amely meghaladja a standard modellt.
Az IceCube úgy lett felépítve, hogy felfedezzék a fizika határait, és ezzel valószínűleg megkérdőjelezzék az univerzum természetének meglévő felfogásait. Ez az új felfedezés és mások, amelyek még nem várhatók, a tudományos felfedezés szellemében vannak. ”
A Higgs-bozon 2012-es felfedezése óta a fizikusok biztosak voltak abban, hogy tudják, hogy a standard modell megerősítésének hosszú útja befejeződött. Azóta tovább hajtják a készleteket, abban a reményben, hogy új fizikát találnak, amely megoldhatja a világegyetem mélyebb rejtélyeit - azaz a szuperszimmetria, a mindent elmélet (ToE) stb.
Ez a fizikusok jelenlegi gondja, valamint annak tanulmányozása, hogy a fizika hogyan működik a legmagasabb energiaszinten (hasonlóan a Big Bang idején). Ha sikerrel járnak, akkor csak megérthetjük, hogy működik ez a hatalmas dolog, az úgynevezett világegyetem.
