Наземний об’єкт для експерименту IceCube, який розташований під Антарктидою майже в 1 милі льоду. IceCube припускає, що примарних нейтрино не існує, але новий експеримент говорить, що вони є.
(Зображення: © люб’язно з обсерваторії нейтрино IceCube)
У крижаних пустирях Антарктиди сидить масивний детектор частинок, Обсерваторія Нейтрино IceCube. Але пошук поверхні інструменту виявиться важким, оскільки основна частина обсерваторії опинилася в пастці під льодом. Міжнародна обсерваторія займається полюванням на нейтрино - безмасштабні, безцільні частинки, які майже ніколи не взаємодіють з речовиною. Тепер її спостереження можуть вирішити одну з найбільших загадок астрономії, відповівши на питання, що стоять за походженням нейтрино та космічних променів.
Найбільший з них усіх
Нейтрино обсерваторія IceCube займає один кубічний кілометр біля Південного полюса. Інструмент охоплює квадратний кілометр поверхні і простягається до 1500 футів у глибину. Це перший споріднений детектор гігатонових нейтрино.
Хоча на фотографіях IceCube часто зображено будівлю, що сидить на засніженій поверхні, справжня робота робиться нижче. Багатоцільовий експеримент включає поверхневий масив IceTop - масив з 81 станції, що сидить над рядками. IceTop служить як калібрувальний детектор для IceCube, а також виявляє повітряні зливи від первинних космічних променів, їх потік і склад.
Щільний внутрішній субдетектор DeepCore - це потужність експерименту IceCube. Кожна станція IceTop складається з струн, приєднаних до цифрових оптичних модулів (DOM), які розгорнуті на шестикутній сітці, розташованій один від одного на відстані 125 метрів. Кожна струна містить 60 DOM розмірів з баскетболом. Тут, в глибині льоду, IceCube здатний полювати на нейтрино, що надходить від сонця, зсередини Чумацького Шляху і ззовні галактики. Ці примарні частинки пов'язані з космічними променями, найвищими енергетичними частинками, що коли-небудь спостерігалися.
[Пов'язане: Відстеження нейтрино до його джерела: відкриття в картинках]
Загадкові частинки
Космічні промені вперше були виявлені в 1912 році. Потужні вибухи радіації постійно стикаються із Землею, що надходить з усіх частин галактики. Вчені підрахували, що заряджені частинки повинні утворюватися в деяких найжорстокіших і найменш зрозумілих предметах і подіях у Всесвіті. Вибухонебезпечна зоряна смерть зірки, наднової, забезпечує один спосіб створення космічних променів; активні чорні діри в центрі галактик ще.
Оскільки космічні промені складаються із заряджених частинок, однак вони взаємодіють із магнітними полями зірок та іншими предметами, якими вони проходять повз. Поля перекручуються і зміщують шлях космічних променів, унеможливлюючи вчених відстежити їх до їхнього джерела.
Ось тут і грають нейтрино. Як і космічні промені, вважається, що частинки низької маси утворюються шляхом насильства. Але оскільки нейтрино не має заряду, вони проходять повз магнітні поля, не змінюючи свого шляху, прямуючи по прямій лінії від свого джерела.
"З цієї причини пошук джерел космічних променів також став пошуком дуже високоенергетичних нейтрино", - йдеться на веб-сайті IceCube.
Однак ті ж характеристики, які роблять нейтрино такими добрими месенджерами, також означають, що їх важко виявити. Щосекунди приблизно 100 мільярдів нейтрино проходять через один квадратний дюйм вашого тіла. Більшість з них походить від сонця і недостатньо енергетичні, щоб їх можна було ідентифікувати IceCube, але деякі, ймовірно, були вироблені поза Чумацьким Шляхом.
Для визначення плям нейтрино потрібно використовувати дуже прозорий матеріал, наприклад воду або лід. Коли одне нейтрино врізається в протон або нейтрон всередині атома, в результаті ядерної реакції утворюються вторинні частинки, що виділяють синє світло, відоме як випромінювання Черенкова.
"Нейтрино, яке ми виявляємо, - це як відбитки пальців, які допомагають нам зрозуміти об'єкти та явища, де виробляються нейтрино", - повідомляє команда IceCube.
Суворі умови
Південний полюс може бути не космосом, але він приносить свої проблеми. Інженери розпочали будівництво на IceCube у 2004 році, семирічний проект, який було завершено за графіком у 2010 році. Будівництво могло відбуватися протягом декількох місяців щороку протягом літа Південної півкулі, що відбувається з листопада по лютий.
На свердління 86 отворів потрібен спеціальний тип свердла - два з них. Перший просунувся через вугілля, шар ущільненого снігу, аж до 50 метрів у 164 фути. Потім свердло для гарячої води високого тиску тануло через лід зі швидкістю близько 2 метрів (6,5 футів) в хвилину, аж до глибини 2450 метрів (8,038 футів або 1,5 милі).
"Разом ці два свердла змогли послідовно виготовити майже ідеальні вертикальні отвори, готові до розгортання інструментарію зі швидкістю один отвір кожні два дні", - повідомляє IceCube.
Потім струни повинні були швидко розгорнутись у розтопленій воді до того, як лід застигне. Заморожування знадобилося кілька тижнів для стабілізації, після чого інструменти залишилися недоторканими, назавжди заморожені в льоду і неможливо було відремонтувати. Коефіцієнт виходу з ладу приладів був надзвичайно повільним, і менше ніж 100 з 5500 датчиків на даний момент не працюють.
IceCube почав робити спостереження з самого початку, навіть під час розгортання інших рядків.
Коли проект розпочався вперше, дослідникам було незрозуміло, наскільки далеко буде проходити світло через лід, за словами Хальцен. З цією інформацією добре налагодженою, співпраця працює в напрямку IceCube-Gen2. Оновлена обсерваторія додала б приблизно ще 80 детекторних струн, тоді як розуміння властивостей льоду дозволить дослідникам розміщувати датчики більше, ніж їх оригінальні консервативні оцінки. IceCube-Gen2 повинен подвоїти розмір обсерваторії приблизно за однакові витрати.
Неймовірна наука
IceCube почав полювати на нейтрино ще до його завершення, даючи кілька інтригуючих наукових результатів по дорозі.
У період з травня 2010 року по травень 2012 року IceCube спостерігав 28 високоенергетичних частинок. Халцен приписував здатність детектора спостерігати за цими екстремальними подіями до завершення роботи детектора.
"Це перша вказівка на дуже високоенергетичні нейтрино, що надходять за межами нашої Сонячної системи, енергії в мільйон разів більше, ніж спостереження в 1987 році у зв'язку з надновою, що спостерігається у Великій магеллановій хмарі", - йдеться у повідомленні Халцен. "Приємно нарешті побачити те, що ми шукали. Це світанок нової ери астрономії".
У квітні 2012 року пару високоенергетичних нейтрино було виявлено і прозвали Бертом та Ерні після персонажів дитячого телешоу "Вулиця Сезама". Маючи енергію вище 1 петаелектронвольта (PeV), пара була першим остаточно виявленим нейтрино ззовні Сонячної системи з наднової 1987 року.
"Це великий прорив", - сказав Улі Кац, фізик частинок в Університеті Ерланген-Нюрнберг, Німеччина, який не був причетний до досліджень. "Я думаю, що це одне з абсолютних головних відкриттів у фізиці астрочастинок", - сказав Кац для Space.com.
Ці спостереження призвели до того, що IceCube був нагороджений «Фізичним світом 2013 року проривом року».
Ще одна велика виплата відбулася 4 грудня 2012 року, коли обсерваторія виявила подію, яку вчені назвали Великою пташкою, також з "Вулиці Сезама". Великий птах був нейтрино з енергією, що перевищує 2 квадрильйона електронних вольт, що більше мільйона мільйонів разів перевищує енергію стоматологічного рентгена, упакованого в одну частинку з меншою мільйонною масою електрона. У той час це було нейтрино з найвищою енергією, що колись було виявлено; станом на 2018 рік, він все ще займає друге місце.
За допомогою космічного телескопа Фермі Гамма-променів НАСА вчені прив'язали Великого Птаха до високоенергетичного спалаху блазара, відомого як PKS B1424-418. Блазари живляться надмасивними чорними дірами в центрі галактики. Коли чорна діра забиває матеріал, частина матеріалу відхиляється в струмені, несучи стільки енергії, що вони затьмарюють зірки в галактиці. Струми прискорюють речовину, створюючи нейтрино та фрагменти атомів, які створюють деякі космічні промені.
Починаючи з літа 2012 року, блазар сяяв у 15–30 разів яскравіше гамма-променів, ніж його середній показник до виверження. Багаторічна програма спостереження під назвою TANAMI, яка регулярно контролювала майже 100 діючих галактик на південному небі, показала, що ядро струменя галактики прояснилося чотири рази між 2011 та 2013 роками.
"Жодна інша наша галактика, яку спостерігав TANAMI протягом життя програми, не зазнала такої різкої зміни", - заявив Едуардо Рос з Інституту радіоастрономії Макса Планка (MPIfR) у Німеччині, - йдеться у заяві за 2016 рік. Команда підрахувала, що дві події були пов'язані.
"Беручи до уваги всі спостереження, схоже, блазар мав засоби, мотив і можливість звільнити нейтрино Великої Птахи. Це робить наш головний підозрюваний", - сказав Маттіас Кадлер, професор астрофізики університету Вюрцбурга Німеччина."
У липні 2018 року IceCube оголосив, що вперше відслідковує нейтрино до їхнього джерела. У вересні 2017 року, завдяки нещодавно встановленій системі оповіщення, яка транслювалась вченим по всьому світу протягом декількох хвилин після виявлення сильного кандидата в нейтрино, дослідники змогли швидко повернути свої телескопи у напрямку, з якого виник новий сигнал. Фермі попередив дослідників про наявність у цій же частині неба активного блазара, відомого як TXS-0506 + 056. Нові спостереження підтвердили, що блазар спалахував, випромінюючи яскравіші, ніж зазвичай, сплески енергії.
Здебільшого TXS є типовим блазаром; це один із 100 найяскравіших блазарів, виявлених Фермі. Однак, хоча 99 інших також яскраві, вони не кидали нейтрино на IceCube. В останні місяці TXS розгорається, світлішає і тьмяніє в сто разів сильніше, ніж у попередні роки.
"Відстеження того, що високоенергетичне нейтрино, виявлене IceCube назад, до TXS 0506 + 056, робить це вперше, коли нам вдалося ідентифікувати конкретний об'єкт як вірогідне джерело такого високоенергетичного нейтрино", - Григорій Сівакофф з університету Альберти в Канаді, йдеться у повідомленні.
IceCube ще не закінчений. Нова система оповіщення триматиме астрономів на ногах у наступні роки. Плановий термін обсерваторії - 20 років, тож принаймні ще десятиліття неймовірних відкриттів, що надходять з обсерваторії Південного полюса.
