На Южнополюсной станции Амундсен-Скотт в Антарктиде находится нейтринная обсерватория IceCube - установка, предназначенная для изучения элементарных частиц, известных как нейтрино. Этот массив состоит из 5160 сферических оптических датчиков - цифровых оптических модулей (DOM), которые находятся в кубическом километре чистого льда. В настоящее время эта обсерватория является крупнейшим нейтринным детектором в мире, и последние семь лет она изучала, как эти частицы ведут себя и взаимодействуют.
В последнем исследовании, опубликованном в сотрудничестве с IceCube при содействии физиков из Университета штата Пенсильвания, впервые была измерена способность Земли блокировать нейтрино. В соответствии со Стандартной моделью физики частиц, они определили, что хотя триллионы нейтрино проходят через Землю (и нас) на регулярной основе, некоторые из них иногда останавливаются ею.
В последнее время в научном журнале появилось исследование под названием «Измерение сечения нейтринного взаимодействия с несколькими ТэВ с помощью IceCube», недавно опубликованное в научном журнале. Природа. Результаты исследовательской группы были основаны на наблюдении 10 784 взаимодействий высокоэнергетических движущихся вверх нейтрино, которые были зарегистрированы в течение года в обсерватории.
Еще в 2013 году в результате сотрудничества IceCube были сделаны первые обнаружения нейтрино высоких энергий. Эти нейтрино, которые, как считалось, имеют астрофизическое происхождение, находились в диапазоне пета-электрон-вольт, что делает их нейтрино с самой высокой энергией, обнаруженных на сегодняшний день. IceCube ищет признаки этих взаимодействий, ища черенковское излучение, которое возникает после того, как быстро движущиеся заряженные частицы замедляются при взаимодействии с нормальной материей.
Обнаружив нейтрино, которые взаимодействуют с чистым льдом, приборы IceCube смогли оценить энергию и направление движения нейтрино. Однако, несмотря на эти обнаружения, оставалось загадкой, может ли какой-либо вид вещества остановить нейтрино, когда оно путешествует в космосе. В соответствии со Стандартной моделью физики элементарных частиц, это то, что должно происходить при определенных обстоятельствах.
После наблюдения за взаимодействиями в IceCube в течение года, команда ученых обнаружила, что нейтрино, которые должны были путешествовать дальше всего через Землю, с меньшей вероятностью достигли детектора. Как объясняет Дуг Коуэн, профессор физики и астрономии / астрофизики в Penn State, в пресс-релизе Penn State:
«Это достижение важно, потому что оно впервые показывает, что нейтрино очень высокой энергии может быть поглощено чем-то - в данном случае Землей. Мы знали, что нейтрино с более низкой энергией проходят через что угодно, но хотя мы и ожидали, что нейтрино с более высокой энергией будут другими, никакие предыдущие эксперименты не смогли убедительно продемонстрировать, что нейтрино с более высокой энергией может быть остановлено чем-либо ».
Существование нейтрино было впервые предложено в 1930 году физиком-теоретиком Вольфгангом Паули, который постулировал их существование как способ объяснить бета-распад с точки зрения закона сохранения энергии. Они так названы, потому что они электрически нейтральны и взаимодействуют с веществом очень слабо - то есть через слабую субатомную силу и гравитацию. Из-за этого нейтрино проходят через нормальное вещество на регулярной основе.
Принимая во внимание, что нейтрино регулярно производятся звездами и ядерными реакторами здесь на Земле, первые нейтрино были сформированы во время Большого взрыва. Поэтому изучение их взаимодействия с нормальной материей может многое рассказать нам о том, как развивалась Вселенная в течение миллиардов лет. Многие ученые ожидают, что изучение нейтрино укажет на существование новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели.
Из-за этого научная команда была несколько удивлена (и, возможно, разочарована) своими результатами. Фрэнсис Халзен, главный исследователь нейтринной обсерватории IceCube и профессор физики в университете 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 обнаруживаем, что Стандартная Модель, как обычно, выдерживает испытание.
По большей части нейтрино, отобранные для этого исследования, были более чем в миллион раз более энергичными, чем те, которые производятся нашим Солнцем или атомными электростанциями. Анализ также включал некоторые из них, которые носили астрофизический характер - то есть производились за пределами атмосферы Земли - и могли быть ускорены к Земле сверхмассивными черными дырами (SMBH).
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 довольно заслуженную репутацию, удивляя нас своим поведением», - сказал он. «Это невероятно интересно увидеть это первое измерение и потенциал, которое оно имеет для будущих прецизионных испытаний».
Это исследование не только обеспечило первое измерение поглощения нейтрино на Земле, но также открывает возможности для геофизических исследователей, которые надеются использовать нейтрино для исследования внутренних частей Земли. Учитывая, что Земля способна остановить некоторые миллиарды частиц высоких энергий, которые обычно проходят через нее, ученые могут 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 пределы своего первоначального предназначения, которое было физическим исследованием частиц и изучением нейтрино. Как ясно показывает это последнее исследование, оно способно внести вклад в исследования в области планетологии и ядерной физики. Физики также надеются использовать 86-струнный массив IceCube для проведения многолетнего анализа, исследуя еще более высокие диапазоны энергий нейтрино.
Как отметил Джеймс Уитмор - директор программы в физическом отделе Национального научного фонда (NSF) (который обеспечивает поддержку IceCube), это может позволить им действительно искать физику, выходящую за рамки Стандартной модели.
«IceCube был создан для того, чтобы исследовать границы физики и при этом, возможно, бросать вызов существующим представлениям о природе вселенной. Это новое открытие и другие, еще впереди, находятся в этом духе научного открытия ».
С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году физики были уверены, что долгий путь подтверждения Стандартной модели завершен. С тех пор они расширили свои наборы, надеясь найти новую физику, которая могла бы разрешить некоторые из более глубоких загадок Вселенной - то есть суперсимметрию, Теорию Всего (ТоЕ) и т. Д.
Это, а также изучение того, как физика работает на высших энергетических уровнях (аналогично тем, которые существовали во время Большого взрыва), в настоящее время является предметом озабоченности физиков. Если они успешны, мы можем просто понять, как работает эта огромная вещь, известная как Вселенная.
