Na stanici Amundsen – Scott South Pole v Antarktidě leží observatoř IceCube Neutrino - zařízení věnované studiu elementárních částic známých jako neutrino. Toto pole se skládá z 5 160 sférických optických senzorů - digitálních optických modulů (DOMs) - zasypaných do krychlového kilometru čirého ledu. V současné době je tato observatoř největším neutrinovým detektorem na světě a posledních sedm let strávila studiem toho, jak se tyto částice chovají a vzájemně reagují.
Poslední studie zveřejněná spoluprací IceCube s pomocí fyziků z Pennsylvánské státní univerzity změřila schopnost Země blokovat neutrina poprvé. V souladu se standardním modelem částicové fyziky určili, že zatímco biliony neutrinů procházejí Zemí (a námi) pravidelně, některé jsou jím občas zastaveny.
Studie s názvem „Měření průřezu interakce Multi-TeV Neutrino s IceCube pomocí absorpce Země“ se nedávno objevila ve vědeckém časopise Příroda. Výsledky studijního týmu byly založeny na pozorování 10 784 interakcí provedených vysoce energetickými, vzestupně se pohybujícími neutriny, které byly zaznamenány v průběhu roku na observatoři.
V roce 2013 byly první detekce vysokoenergetických neutrin provedeny spoluprací IceCube. Tato neutrina - která byla původně považována za astrofyzikální - byla v rozsahu peta-elektron voltů, což z nich činí dosud neutrona s nejvyšší energií. IceCube hledá příznaky těchto interakcí hledáním Cherenkovova záření, které vzniká po zpomalení rychle se pohybujících nabitých částic interakcí s normální hmotou.
Detekcí neutrin, které interagují s čirým ledem, byly přístroje IceCube schopny odhadnout energii a směr pohybu neutrin. Přes tyto detekce však záhadou zůstalo, zda nějaká hmota může zastavit neutrino, když putuje vesmírem. V souladu se standardním modelem částicové fyziky by se to mělo stát příležitostně.
Poté, co rok pozoroval interakce v IceCube, vědecký tým zjistil, že neutrina, která musela cestovat nejdál po Zemi, byla méně pravděpodobná, že se dostanou k detektoru. Jak Doug Cowen, profesor fyziky a astronomie / astrofyziky ve státě Penn, vysvětlil v tiskové zprávě Penn State:
„Tento úspěch je důležitý, protože to poprvé ukazuje, že velmi vysokoenergetická neutrina mohou být absorbována něčím - v tomto případě Země. Věděli jsme, že nízkoenergetická neutrina procházejí téměř cokoli, ale ačkoliv jsme očekávali, že neutrina s vyšší energií budou jiná, žádné předchozí experimenty nedokázaly přesvědčivě prokázat, že vysokoenergetická neutrina mohla být zastavena čímkoli. “
Existenci neutrin byla poprvé navržena v roce 1930 teoretickým fyzikem Wolfgangem Paulim, který předpokládal jejich existenci jako způsob, jak vysvětlit beta rozpad ve smyslu zachování energetického zákona. Jsou tak pojmenovány, protože jsou elektricky neutrální a interagují s hmotou jen velmi slabě - tj. Prostřednictvím slabé subatomické síly a gravitace. Z tohoto důvodu neutrina pravidelně procházejí normální hmotou.
Zatímco neutrina jsou pravidelně produkována hvězdami a jadernými reaktory zde na Zemi, první neutrina byla vytvořena během Velkého třesku. Studium jejich interakce s normální hmotou nám proto může říci mnoho o tom, jak se vesmír vyvíjel v průběhu miliard let. Mnoho vědců předpokládá, že studium neutrin bude naznačovat existenci nové fyziky, která přesahuje standardní model.
Z tohoto důvodu byl vědecký tým svými výsledky poněkud překvapen (a možná zklamán). Jak Francis Halzen - hlavní vyšetřovatel observatoře IceCube Neutrino Observatory a profesor fyziky na University of Wisconsin-Madison - vysvětlil:
„Pochopení interakce neutrin je klíčem k provozu IceCube. Samozřejmě jsme doufali, že se objeví nová fyzika, ale bohužel jsme zjistili, že standardní model, jako obvykle, vydrží test.
Z větší části byly neutrina vybraná pro tuto studii více než milionkrát energetičtější než ty, které vyrábějí naše Slunce nebo jaderné elektrárny. Analýza také zahrnovala některé, které byly v přírodě astrofyzikální - tj. Vytvořené mimo zemskou atmosféru - a mohly být urychleny směrem k Zemi pomocí superhmotných černých děr (SMBH).
Darren Grant, profesor fyziky na University of Alberta, je také mluvčím spolupráce IceCube. Jak naznačil, tato nejnovější studie interakce otevírá dveře pro budoucí výzkum neutrino. "Neutrinos mají docela dobrou pověst, že nás překvapují svým chováním," řekl. "Je neuvěřitelně vzrušující vidět toto první měření a potenciál, který má pro budoucí testy přesnosti."
Tato studie poskytla nejen první měření absorpce neutrin na Zemi, ale také nabízí příležitosti pro geofyzikální výzkumníky, kteří doufají, že k prozkoumání vnitřku Země použijí neutrin. Vzhledem k tomu, že Země je schopna zastavit některé z miliard vysokoenergetických částic, které jimi běžně procházejí, mohli by vědci vyvinout metodu studia vnitřního a vnějšího jádra Země, která by přesněji omezila jejich velikost a hustotu.
Ukazuje také, že observatoř IceCube je schopna překonat svůj původní účel, kterým byl výzkum fyziky částic a studium neutrin. Jak tato nejnovější studie jasně ukazuje, je schopna přispět také k výzkumu planetární vědy a jaderné fyzice. Fyzici také doufají, že využijí celou řadu 86 řetězců IceCube k provedení víceleté analýzy a prozkoumají ještě vyšší rozsah neutrinových energií.
Jak naznačil James Whitmore - programový ředitel ve fyzikální divizi National Science Foundation (NSF) (která poskytuje podporu IceCube), mohlo by to jim umožnit skutečně hledat fyziku, která přesahuje standardní model.
„IceCube byl postaven tak, aby prozkoumal hranice fyziky, a tím by mohl zpochybnit stávající vnímání povahy vesmíru. Toto nové zjištění a další, které teprve přijdou, jsou v duchu vědeckého objevu. “
Od objevu Higgsova bosonu v roce 2012 mají fyzici jistotu, že dlouhá cesta k potvrzení standardního modelu byla dokončena. Od té doby nastavili své soubory dále a doufali, že najdou novou fyziku, která by mohla vyřešit některé hlubší záhady vesmíru - tj. Supersymetrie, teorie všeho (ToE) atd.
Toto, stejně jako studium toho, jak fyzika pracuje na nejvyšších energetických úrovních (podobných těm, které existovaly během Velkého třesku), je současným zájmem fyziků. Pokud budou úspěšní, mohli bychom jen pochopit, jak tato masivní věc známá jako vesmír funguje.
