Amundsen – Scott-etelänavan asemalla Etelämannerilla sijaitsee IceCube Neutrino-observatorio - laitos, joka on omistettu neutriinoksi kutsuttujen alkuainehiukkasten tutkimiseen. Tämä ryhmä koostuu 5160 pallomaisesta optisesta tunnistimesta - digitaalisista optisista moduuleista (DOM) -, jotka on haudattu kuutiometrin päähän kirkasta jäätä. Tällä hetkellä tämä observatorio on maailman suurin neutriinodetektori, ja se on viettänyt viimeiset seitsemän vuotta tutkien näiden hiukkasten käyttäytymistä ja vuorovaikutusta.
Viimeisin IceCube-yhteistyön julkaisema tutkimus Pennsylvanian osavaltion yliopiston fyysikoiden avulla on mitannut maan kykyä estää neutriinoja ensimmäistä kertaa. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaisesti he päättivät, että vaikka biljoonia neutriinoja kulkee säännöllisesti Maan (ja meidän) läpi, se pysäyttää toisinaan jotkut.
Tutkimus, jonka otsikko on ”Multi-TeV: n neutriino-interaktioiden poikkileikkauksen mittaus IceCuben avulla maan imeytymisen avulla”, ilmestyi äskettäin tieteellisessä lehdessä Nature. Tutkimusryhmän tulokset perustuivat korkean energian, ylöspäin liikkuvien neutriinojen tekemiin 10 784 vuorovaikutuksen havaitsemiseen, jotka rekisteröitiin vuoden aikana observatoriossa.
Vuonna 2013 IceCube-yhteistyöllä tehtiin ensimmäiset korkean energian neutriinojen havainnot. Nämä neutriinot - joiden uskottiin olevan alkuperältään astrofysikaalisia - olivat petaelektronivoltin alueella, mikä tekee niistä korkeimman energian neutriinojen, jotka on tähän mennessä löydetty. IceCube etsii näiden vuorovaikutusten merkkejä etsimällä Cherenkov-säteilyä, joka syntyy sen jälkeen, kun nopeasti liikkuvat varautuneet hiukkaset ovat hidastuneet toimimalla normaalin aineen kanssa.
Tunnistamalla selkeän jään kanssa vuorovaikutuksessa olevat neutriinot, IceCube-instrumentit pystyivät arvioimaan neutriinojen energian ja kulkusuunnan. Näistä havainnoista huolimatta jäi kuitenkin mysteeri siitä, voisiko jokin aine estää neutriinoa kulkiessaan avaruuden läpi vai ei. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaisesti tämän pitäisi tapahtua toisinaan.
Tarkkaillessaan vuorovaikutusta IceCubessa vuoden ajan, tiederyhmä havaitsi, että neutrinot, joiden piti kulkea kauimpana Maan läpi, pääsivät vähemmän todennäköisesti ilmaisimeen. Kuten Penn Staten fysiikan ja tähtitieteen / astrofysiikan professori Doug Cowen selitti Penn Staten lehdistötiedotteessa:
”Tämä saavutus on tärkeä, koska se osoittaa ensimmäistä kertaa, että jotain - tässä tapauksessa maapallon - voi absorboida erittäin korkeaenergisia neutriinoja. Tiesimme, että pienemmän energian neutriinot kulkevat melkein minkä tahansa läpi, mutta vaikka odotimme korkeamman energian neutriinojen olevan erilaisia, mikään aikaisempi kokeilu ei ollut pystynyt osoittamaan vakuuttavasti, että korkeamman energian neutriinot pystyivät pysäyttämään minkään. "
Neutriinojen olemassaoloa ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1930 teoreettinen fyysikko Wolfgang Pauli, joka postuloi niiden olemassaolon tapana selittää beetahajoamista energialain säilyttämisen kannalta. Niitä kutsutaan niin, koska ne ovat sähköisesti neutraaleja ja ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa vain heikosti - ts. Heikon alaatomisen voiman ja painovoiman kautta. Tämän vuoksi neutriinot kulkevat säännöllisesti normaalin aineen läpi.
Vaikka tähdet ja ydinreaktorit tuottavat säännöllisesti neutriinoja täällä maan päällä, ensimmäiset neutriinot muodostuivat ison räjähdyksen aikana. Heidän vuorovaikutuksensa normaalin aineen kanssa voi siksi kertoa meille paljon siitä, kuinka maailmankaikkeus kehittyi miljardien vuosien aikana. Monet tutkijat odottavat, että neutriinotutkimus osoittaa uuden fysiikan olemassaolon, ne, jotka ylittävät standardimallin.
Tämän vuoksi tiederyhmä oli jonkin verran yllättynyt (ja ehkä pettynyt) tuloksiaan. Kuten Francis Halzen - IceCube Neutrinon observatorion päätutkija ja fysiikan professori Wisconsin-Madisonin yliopistossa - selitti:
”Ymmärtäminen, kuinka neutriinot ovat vuorovaikutuksessa, on avain IceCuben toimintaan. Toivoimme tietysti jonkin uuden fysiikan ilmestymistä, mutta valitettavasti havaitsemme, että tavallinen malli kestää kokeen.
Suurimmaksi osaksi tähän tutkimukseen valitut neutriinot olivat yli miljoona kertaa energiatehokkaampia kuin ne, joita tuotamme aurinkoomme tai ydinvoimalaitoksissamme. Analyysi sisälsi myös joitain, jotka olivat luonteeltaan astrofyysisiä - ts. Tuotettuja maan ilmakehän ulkopuolelle - ja joita on mahdollisesti kiihdytetty kohti maata supermassiivisten mustien reikien (SMBH) avulla.
Myös Albertan yliopiston fysiikan professori Darren Grant on IceCube-yhteistyön edustaja. Kuten hän totesi, tämä viimeisin vuorovaikutustutkimus avaa oven tulevaisuuden neutriintotutkimukselle. "Neutrinoilla on melko hyvin ansaittu maine yllättää meidät käyttäytymisellään", hän sanoi. "On erittäin mielenkiintoista nähdä tämä ensimmäinen mittaus ja sen potentiaali tuleville tarkkuustesteille."
Tämä tutkimus tarjosi paitsi ensimmäisen mittauksen maapallon neutriinojen imeytymisestä, se tarjoaa myös mahdollisuuksia geofysikaalisille tutkijoille, jotka toivovat käyttävän neutriinoja tutkiakseen maan sisätiloja. Koska maa pystyy pysäyttämään joitain miljardeja korkeaenergisia hiukkasia, jotka rutiininomaisesti kulkevat sen läpi, tutkijat voisivat kehittää menetelmän maan sisäisen ja ulkoisen ytimen tutkimiseksi asettamalla tarkempia rajoituksia niiden koolle ja tiheydelle.
Se osoittaa myös, että IceCube-observatorio pystyy saavuttamaan alkuperäisen tarkoituksensa, joka oli hiukkasfysiikan tutkimus ja neutriinojen tutkimus. Kuten tämä viimeisin tutkimus selvästi osoittaa, se pystyy edistämään myös planeettatutkimusta ja ydinfysiikkaa. Fyysikot toivovat myös käyttävänsä koko 86-merkkistä IceCube-taulukkoa monivuotisen analyysin tekemiseen tutkimalla vieläkin korkeampia neutriinoenergioiden alueita.
Kuten James Whitmore - Kansallisen tiedesäätiön (NSF) fysiikan jaoston (joka tarjoaa tukea IceCube-ohjelmalle) ohjelmajohtaja - ilmoitti, tämä voisi antaa heidän mahdollisuuden todella etsiä fysiikkaa, joka ylittää standardimallin.
IceCube rakennettiin tutkimaan sekä fysiikan rajoja että toimimaan siten haastamaan olemassa olevat käsitykset maailmankaikkeuden luonteesta. Tämä uusi löytö ja muut vielä tulevat ovat siinä tieteellisen löytön hengessä. "
Siitä lähtien, kun Higgsin bosoni löydettiin vuonna 2012, fyysikot ovat olleet varmoja tietäen, että pitkä matka standardimallin vahvistamiseksi oli nyt valmis. Siitä lähtien he ovat asettaneet sarjansa kauemmas, toivoen löytävänsä uuden fysiikan, joka voisi ratkaista joitain maailmankaikkeuden syvemmistä mysteereistä - ts. Supersymmetria, kaiken teoria (ToE) kaikesta jne.
Tämä, samoin kuin fysiikan työskenteleminen korkeimmilla energiatasoilla (samankaltaisia kuin Big Bang: n aikana) oli fyysikoiden nykyinen huolenaihe. Jos ne onnistuvat, saatamme vain ymmärtää, kuinka tämä massiivinen asia, jota kutsutaan maailmankaikkeudeksi, toimii.
