На станції Південний полюс Амундсена-Скотта в Антарктиді лежить обсерваторія Нейтрино IceCube - споруда, призначена для вивчення елементарних частинок, відомих як нейтрино. Цей масив складається з 5160 сферичних оптичних датчиків - цифрових оптичних модулів (DOM) - похованих в кубічному кілометрі чистого льоду. В даний час ця обсерваторія є найбільшим детектором нейтрино у світі та провела останні сім років, вивчаючи, як ці частинки поводяться та взаємодіють.
В останньому дослідженні, опублікованому спільнотою IceCube, за сприяння фізиків з Державного університету Пенсільванії, вперше було виміряно здатність Землі блокувати нейтрино. Відповідно до стандартної моделі фізики частинок, вони визначили, що хоча трильйони нейтрино проходять через Землю (і нас) регулярно, деякі періодично зупиняються на ній.
Дослідження під назвою «Вимірювання поперечного перерізу взаємодії нейтрино Multi-TeV з IceCube за допомогою поглинання Землі» нещодавно з’явилось у науковому журналі Природа. Результати дослідницької групи ґрунтувались на спостереженні 10 874 взаємодій, здійснених високоенергетичними нейтрино, що рухаються вгору, які були зафіксовані протягом року в обсерваторії.
Ще в 2013 році перші виявлення високоенергетичних нейтрино були здійснені співпрацею IceCube. Ці нейтрино - які, як вважали, мають походження астрофізичного походження, знаходилися в діапазоні пета-електронних вольт, що робить їх найвищими енергетичними нейтрино, виявленими на сьогоднішній день. IceCube шукає ознаки цих взаємодій, шукаючи випромінювання Черенкова, яке утворюється після уповільнення швидкоплинних заряджених частинок шляхом взаємодії з нормальною речовиною.
Виявивши нейтрино, які взаємодіють з чистим льодом, інструменти IceCube змогли оцінити енергію та напрямок руху нейтрино. Незважаючи на ці виявлення, однак залишається загадкою, чи може якась матерія зупинити нейтрино під час подорожі по космосу. Відповідно до Стандартної моделі фізики частинок, це щось, що повинно траплятися на час.
Протягом року спостерігаючи за взаємодією в IceCube, наукова група виявила, що нейтрино, яким довелося подорожувати найдалі через Землю, рідше потрапляє до детектора. Як пояснив Даг Коуен, професор фізики та астрономії / астрофізики штату Пенн, у прес-релізі штату Пенн:
«Це досягнення важливе, оскільки вперше показує, що нейтрино з високою енергією може бути поглинене чимось - у цьому випадку Землею. Ми знали, що нейтрино з низькою енергією проходить практично через що завгодно, але хоча ми очікували, що нейтрино з високою енергією буде різним, жодні попередні експерименти не змогли переконливо продемонструвати, що нейтрино з більш високою енергією може бути зупинене будь-чим »
Існування нейтрино вперше було запропоновано в 1930 р. Фізиком-теоретиком Вольфгангом Паулі, який постулював їх існування як спосіб пояснення бета-розпаду з точки зору збереження енергетичного закону. Їх так називають, оскільки вони є електрично нейтральними і взаємодіють із речовиною дуже слабко - тобто через слабку субатомну силу та гравітацію. Через це нейтрино регулярно проходить через нормальну речовину.
Якщо нейтрино регулярно виробляються зірками та ядерними реакторами тут, на Землі, перші нейтрино утворилися під час Великого вибуху. Отже, вивчення їх взаємодії з нормальною речовиною може нам багато чого розповісти про те, як Всесвіт розвивалася протягом мільярдів років. Багато вчених передбачають, що дослідження нейтрино вкаже на існування нової фізики, тій, що виходить за рамки стандартної моделі.
Через це науковий колектив був дещо здивований (і, можливо, розчарований) їх результатами. Як пояснив Френсіс Хальцен - головний дослідник Нейтринської обсерваторії IceCube та професор фізики Університету Вісконсіна-Медісон -
«Розуміння того, як взаємодіють нейтрино, є ключовим для роботи IceCube. Ми, звичайно, сподівалися, що з’явиться якась нова фізика, але ми, на жаль, вважаємо, що Стандартна модель, як завжди, витримує тест.
Здебільшого нейтрино, вибране для цього дослідження, було більш ніж в мільйон разів більш енергійним, ніж ті, які виробляються нашим Сонцем або атомними електростанціями. Аналіз також включав деякі, які мали астрофізичний характер - тобто, що виходили за межі атмосфери Землі - і, можливо, були прискорені до Землі надмасивними чорними дірами (SMBHs).
Даррен Грант, професор фізики в університеті Альберти, також є речником спільної роботи IceCube. Як він зазначив, це останнє дослідження взаємодії відкриває двері для майбутніх досліджень нейтрино. "Нейтрино має досить добре зароблену репутацію, щоб здивувати нас своєю поведінкою", - сказав він. "Неймовірно захоплююче бачити це перше вимірювання та потенціал, який він має для майбутніх випробувань на точність".
Це дослідження не тільки дало перше вимірювання поглинання Землі нейтрино, воно також пропонує геофізичним дослідникам, які сподіваються використати нейтрино для дослідження внутрішніх просторів Землі. Зважаючи на те, що Земля здатна зупинити деякі мільярди високоенергетичних частинок, які регулярно проходять через неї, вчені можуть розробити метод дослідження внутрішнього та зовнішнього ядра Землі, поставивши більш точні обмеження щодо їх розмірів та щільності.
Це також показує, що обсерваторія IceCube здатна вийти за рамки свого первісного призначення, яке було дослідженням фізики частинок та вивченням нейтрино. Як видно з цього останнього дослідження, воно може внести свій внесок у дослідження планетарних наук та ядерну фізику. Фізики сподіваються також використовувати повний 86-струнний масив IceCube для проведення багаторічного аналізу, вивчаючи ще більші діапазони енергій нейтрино.
Як зазначив Джеймс Вітмор - програмний директор у відділі фізики Національної наукової фундації (NSF) (який забезпечує підтримку IceCube), це може дати їм можливість по-справжньому шукати фізику, що виходить за рамки стандартної моделі.
«IceCube був побудований для того, щоб досліджувати межі фізики і, тим самим, можливий виклик існуючим уявленням про природу Всесвіту. Ця нова знахідка та інші, що ще належать, - у тому дусі наукового відкриття ».
З часу відкриття бозона Хіггса в 2012 році фізики були впевнені в тому, що довгий шлях до підтвердження Стандартної моделі був завершений. Відтоді вони встановлюють свої набори далі, сподіваючись знайти нову фізику, яка могла б вирішити деякі глибші таємниці Всесвіту - т. Е. Суперсиметрію, теорію всього (ТО) тощо.
Це, а також вивчення того, як фізика працює на найвищих енергетичних рівнях (подібних до тих, що існували під час Великого вибуху), є поточною зайнятістю фізиків. Якщо вони будуть успішними, ми можемо просто зрозуміти, як працює ця масивна річ, відома як Всесвіт.
