На Южнополярной станции Амундсен – Скотт в Антарктиде находится Нейтринная обсерватория IceCube - установка, посвященная изучению элементарных частиц, известных как нейтрино. Этот массив состоит из 5160 сферических оптических датчиков - цифровых оптических модулей (DOM) - погребенных в кубическом километре чистого льда. В настоящее время эта обсерватория является крупнейшим детектором нейтрино в мире, и последние семь лет она изучает, как эти частицы ведут себя и взаимодействуют.
Большинство недавнее обучение выпущенный коллаборацией IceCube при содействии физиков из Университета штата Пенсильвания, впервые измерил способность Земли блокировать нейтрино. В соответствии с Стандартная модель физики элементарных частиц , они определили, что, хотя триллионы нейтрино проходят через Землю (и нас) на регулярной основе, некоторые из них время от времени останавливаются.
Исследование под названием « Измерение сечения взаимодействия нейтрино с энергией нескольких ТэВ и IceCube с использованием поглощения Земли «, Недавно появившаяся в научном журналеПрирода.Результаты исследовательской группы были основаны на наблюдении 10 784 взаимодействий, произведенных высокоэнергетическими восходящими нейтрино, которые были зарегистрированы в обсерватории в течение года.
Нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе. Предоставлено: Эмануэль Якоби / NSF.
Еще в 2013 году коллаборация IceCube сделала первые регистрации нейтрино высоких энергий. Эти нейтрино, которые считались астрофизическими по происхождению, находились в диапазоне петаэлектронвольт, что делало их нейтрино с самой высокой энергией, обнаруженными на сегодняшний день. IceCube ищет признаки этих взаимодействий, ища черенковское излучение, которое возникает после того, как быстро движущиеся заряженные частицы замедляются за счет взаимодействия с нормальной материей.
Обнаружив нейтрино, которые взаимодействуют с чистым льдом, инструменты IceCube смогли оценить энергию и направление движения нейтрино. Однако, несмотря на эти открытия, оставалась загадкой, сможет ли какой-либо вид материи остановить нейтрино, путешествующее в космосе. В соответствии со Стандартной моделью физики элементарных частиц это должно происходить время от времени.
Наблюдая за взаимодействиями в IceCube в течение года, научная группа обнаружила, что нейтрино, которые должны были пройти дальше всего через Землю, с меньшей вероятностью достигли детектора. Как объяснил Дуг Коуэн, профессор физики и астрономии / астрофизики в Пенсильванском университете, в Penn State пресс-релиз :
«Это достижение важно, потому что оно впервые показывает, что нейтрино очень высоких энергий могут быть поглощены чем-то - в данном случае Землей. Мы знали, что нейтрино с более низкой энергией проходят практически через все, но, хотя мы ожидали, что нейтрино с более высокой энергией будут другими, никакие предыдущие эксперименты не смогли убедительно продемонстрировать, что нейтрино с более высокой энергией можно остановить чем угодно ».
Icetop Tank, детекторы нейтрино в центре нейтринной обсерватории IceCube. Предоставлено: Дэн Хуберт.
Существование нейтрино было впервые предложено в 1930 году физиком-теоретиком Вольфгангом Паули, который постулировал их существование как способ объяснения бета-распада с точки зрения закон сохранения энергии . Они названы так потому, что электрически нейтральны и очень слабо взаимодействуют с материей - то есть через слабую субатомную силу и гравитацию. Из-за этого нейтрино регулярно проходят через нормальную материю.
В то время как нейтрино регулярно производятся звездами и ядерными реакторами здесь, на Земле, первые нейтрино образовались во время Большого взрыва. Таким образом, изучение их взаимодействия с нормальной материей может многое рассказать нам о том, как Вселенная развивалась в течение миллиардов лет. Многие ученые ожидают, что изучение нейтрино укажет на существование новой физики, которая выходит за рамки Стандартной модели.
Из-за этого научная группа была несколько удивлена (а возможно, разочарована) своими результатами. Как сказал Фрэнсис Халзен - главный исследователь нейтринной обсерватории IceCube и профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон - объяснил :
«Понимание того, как взаимодействуют нейтрино, является ключом к работе IceCube. Мы, конечно, надеялись, что появится какая-то новая физика, но, к сожалению, мы обнаружили, что Стандартная модель, как обычно, выдерживает испытание.
Глядя вниз на одно из отверстий детектора IceCube. Предоставлено: IceCube Collaboration / NSF.
По большей части нейтрино, отобранные для этого исследования, были более чем в миллион раз более энергичными, чем нейтрино, производимые нашим Солнцем или атомными электростанциями. В анализ также были включены некоторые из них, которые были астрофизическими по своей природе, то есть возникли за пределами атмосферы Земли и, возможно, были ускорены к Земле сверхмассивными черными дырами (СМЧД).
Даррен Грант, профессор физики в Университете Альберты, также является представителем IceCube Collaboration. Как он указал, это последнее исследование взаимодействия открывает двери для будущих исследований нейтрино. «Нейтрино имеют вполне заслуженную репутацию удивлять нас своим поведением», - сказал он. «Приятно видеть это первое измерение и его потенциал для будущих прецизионных испытаний».
Это исследование не только предоставило первое измерение поглощения нейтрино Землей, оно также предлагает возможности для геофизических исследователей, которые надеются использовать нейтрино для исследования недр Земли. Учитывая, что Земля способна останавливать некоторые из миллиардов частиц высокой энергии, которые обычно проходят через нее, ученые могли бы разработать метод изучения внутреннего и внешнего ядра Земли, установив более точные ограничения на их размеры и плотность.
Это также показывает, что обсерватория IceCube способна выйти за рамки своей первоначальной цели, которая заключалась в исследованиях физики элементарных частиц и нейтрино. Как ясно показывает это последнее исследование, он может внести свой вклад в исследования в области планетологии и ядерной физики. Физики также надеются использовать полный 86-струнный массив IceCube для проведения многолетнего анализа, исследуя даже более высокие диапазоны энергий нейтрино.
На этом дисплее событий отображается «Bert», одно из двух нейтринных событий, обнаруженных на IceCube, энергия которых превышает один петаэлектронвольт (ПэВ). Предоставлено: Berkeley Labs.
Как сказал Джеймс Уитмор, программный директор отдела физики Национального научного фонда (NSF) (который обеспечивает поддержку IceCube): указал , это может позволить им по-настоящему искать физику, выходящую за рамки Стандартной модели.
«IceCube был создан как для исследования границ физики, так и для того, чтобы, возможно, бросить вызов существующим представлениям о природе вселенной. Это новое открытие и другие, которые еще предстоит сделать, основаны на духе научных открытий ».
С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году физики были уверены, что долгий путь к подтверждению Стандартной модели теперь завершен. С тех пор они расширили свои наборы, надеясь найти новую физику, которая могла бы разрешить некоторые из более глубоких загадок Вселенной, например, суперсимметрию, Теорию всего (ToE) и т. Д.
Это, а также изучение того, как работает физика на самых высоких уровнях энергии (подобных тем, которые существовали во время Большого взрыва), является нынешней заботой физиков. Если они добьются успеха, мы сможем просто понять, как работает эта огромная вещь, известная как Вселенная.
Дальнейшее чтение: Penn State , Природа