На станцията Amundsen – Scott South Pole в Антарктида се намира Нейтрино обсерваторията IceCube - съоръжение, предназначено за изследване на елементарни частици, известни като неутрино. Този масив се състои от 5160 сферични оптични сензора - цифрови оптични модули (DOMs) - погребани на кубичен километър чист лед. Понастоящем тази обсерватория е най-големият детектор за неутрино в света и е прекарал последните седем години в проучване как тези частици се държат и взаимодействат.
Най-новото проучване, публикувано в сътрудничество с IceCube, със съдействието на физици от държавния университет в Пенсилвания, измерва способността на Земята да блокира неутрино за първи път. В съответствие със стандартния модел на физика на частиците, те определиха, че докато трилиони неутрино преминават редовно през Земята (и нас), някои от тях понякога се спират.
Изследването, озаглавено „Измерване на напречното сечение на Multi-TeV Neutrino взаимодействие с IceCube с помощта на абсорбция на Земята“, наскоро се появи в научното списание Nature. Резултатите от проучвателния екип се основават на наблюдението на 10 874 взаимодействия, извършени от високоенергийни, нагоре движещи се неутрино, които са били регистрирани през годината в обсерваторията.
Още през 2013 г. първите открития на високоенергийни неутрино бяха направени от сътрудничеството с IceCube. Тези неутрино - за които се смята, че имат астрофизичен произход - са били в пета-електронния волтов диапазон, което ги прави най-високите енергийни неутрино, открити до момента. IceCube търси признаци на тези взаимодействия, като търси радиация на Черенков, която се получава, след като бързо движещите се заредени частици се забавят чрез взаимодействие с нормална материя.
Чрез откриване на неутрино, които взаимодействат с чистия лед, инструментите IceCube успяха да преценят енергията и посоката на движение на неутрино. Въпреки тези открития обаче остава загадка дали някакъв вид материя може да спре неутрино, докато пътува през космоса. В съответствие със Стандартния модел на физика на частиците, това е нещо, което трябва да се случва при повод.
След като наблюдаваха взаимодействия в IceCube в продължение на една година, научният екип установи, че неутрино, които трябва да пътуват най-далеч през Земята, е по-малко вероятно да стигнат до детектора. Както Дъг Коуен, професор по физика и астрономия / астрофизика в Penn State, обясни в прессъобщението на Penn State:
„Това постижение е важно, защото за пръв път показва, че много високо енергийните неутрино могат да бъдат погълнати от нещо - в случая Земята. Знаехме, че неутрино с по-ниска енергия преминава през почти всичко, но въпреки че очаквахме неутрино с по-висока енергия да бъде различно, нито един предишен експеримент не успя да убеди убедително, че неутрино с по-висока енергия може да бъде спряно от каквото и да било. “
Съществуването на неутрино е предложено за първи път през 1930 г. от теоретичния физик Волфганг Паули, който постулира тяхното съществуване като начин за обяснение на бета-разпад по отношение на опазването на енергийния закон. Те са така наречени, защото са електрически неутрални и взаимодействат с материята много слабо - т.е. чрез слабата субатомна сила и гравитация. Поради това неутрино преминават през нормална материя редовно.
Докато неутрино се произвеждат редовно от звезди и ядрени реактори тук на Земята, първите неутрино се образуват по време на Големия взрив. Следователно изследването на тяхното взаимодействие с нормалната материя може да ни каже много за това как еволюирала Вселената в течение на милиарди години. Много учени предвиждат, че изследването на неутрино ще покаже съществуването на нова физика, която надхвърля стандартния модел.
Поради това научният екип беше донякъде изненадан (и може би разочарован) от резултатите си. Както обясни Франсис Халцен - главен изследовател на Обсерваторията на Нейтрино в IceCube и професор по физика в Университета на Уисконсин-Медисън - обясни:
„Разбирането на взаимодействието на неутрино е от ключово значение за работата на IceCube. Разбира се, надявахме се да се появи някаква нова физика, но за съжаление установяваме, че стандартният модел, както обикновено, издържа на теста.
В по-голямата си част избраните за това изследване неутрино са били повече от един милион пъти по-енергични от тези, които се произвеждат от нашето Слънце или атомните електроцентрали. Анализът също така включва някои, които имат астрофизичен характер - т.е. произведени извън земната атмосфера - и може да са ускорени към Земята от свръхмасивни черни дупки (SMBHs).
Дарън Грант, професор по физика в Университета в Алберта, също е говорител на сътрудничеството на IceCube. Както той посочи, това последно проучване за взаимодействие отваря врати за бъдещи изследвания на неутрино. „Неутрино имат доста заслужена репутация да ни изненадват с поведението си“, каза той. „Невероятно вълнуващо е да видите това първо измерване и потенциала, който има за бъдещи тестове за прецизност.“
Това изследване не само даде първото измерване на абсорбцията на неутрино от Земята, но също така предлага възможности за геофизични изследователи, които се надяват да използват неутрино за изследване на вътрешността на Земята. Като се има предвид, че Земята е в състояние да спре част от милиардите високоенергийни частици, които рутинно преминават през нея, учените биха могли да разработят метод за изследване на вътрешното и външното ядро на Земята, поставяйки по-точни ограничения върху техните размери и плътности.
Той също така показва, че обсерваторията IceCube е в състояние да достигне отвъд първоначалната си цел, която беше изследване на физиката на частиците и изследване на неутрино. Както ясно показва това последно проучване, то е способно да допринесе и за изследване на планетарните науки и за ядрената физика. Физиците също се надяват да използват пълния 86-струнен масив IceCube за извършване на многогодишен анализ, изследвайки още по-големи диапазони на неутрино енергии.
Както Джеймс Уитмор - програмният директор в отдела по физика на Националната научна фондация (NSF) (който осигурява поддръжка за IceCube) - това може да им позволи наистина да търсят физика, която надхвърля стандартния модел.
„IceCube е създаден, за да изследва границите на физиката и по този начин е възможно да предизвика съществуващите възприятия за природата на Вселената. Тази нова констатация и други, които предстоят, са в този дух на научно откритие. "
Още от откриването на бозона на Хигс през 2012 г., физиците са сигурни в знанието, че дългият път за потвърждаване на Стандартния модел вече е завършен. Оттогава те поставят своите комплекти по-далеч, надявайки се да намерят нова физика, която да разреши някои от по-дълбоките мистерии на Вселената - т.е. свръхсиметрия, теория на всичко (ToE) и т.н.
Това, както и изучаването на това как физиката работи при най-високите енергийни нива (подобно на тези, които са съществували по време на Големия взрив), е настоящата загриженост на физиците. Ако те са успешни, може просто да разберем как работи това масово нещо, известно като Вселената.
