Ved Amundsen – Scott South Pole Station i Antarktis ligger IceCube Neutrino Observatory - en facilitet dedikeret til undersøgelse af elementære partikler kendt som neutrino. Denne matrix består af 5.160 sfæriske optiske sensorer - Digital Optical Modules (DOMs) - begravet inden for en kubik kilometer klar is. På nuværende tidspunkt er dette observatorium den største neutrino detektor i verden og har brugt de sidste syv år på at studere, hvordan disse partikler opfører sig og interagerer.
Den seneste undersøgelse, der blev frigivet ved IceCube-samarbejdet med hjælp fra fysikere fra Pennsylvania State University, har målt Jordens evne til at blokere neutrinoer for første gang. I overensstemmelse med standardmodellen for partikelfysik bestemte de, at mens billioner af neutrinoer passerer jorden (og os) regelmæssigt, bliver nogle lejlighedsvis stoppet af den.
Undersøgelsen med titlen “Måling af Multi-TeV Neutrino Interaction tværsnit med IceCube ved hjælp af jordabsorption” dukkede for nylig op i det videnskabelige tidsskrift Natur. Undersøgelsesteamets resultater var baseret på observation af 10.784 interaktioner foretaget af neutrinoer med høj energi, opadgående bevægelse, som blev registreret i løbet af et år på observatoriet.
Tilbage i 2013 blev de første opdagelser af neutrinoer med høj energi lavet af IceCube-samarbejdet. Disse neutrinoer - som antages at være astrofysiske af oprindelse - var inden for peta-elektron-voltområdet, hvilket gjorde dem til den højeste energi-neutrino, der er opdaget til dato. IceCube søger efter tegn på disse interaktioner ved at kigge efter Cherenkov-stråling, der produceres efter hurtig bevægede ladede partikler er bremset ned ved at interagere med normal stof.
Ved at registrere neutrinoer, der interagerer med den klare is, var IceCube-instrumenterne i stand til at estimere neutrinoernes energi og retningsretning. På trods af disse afsløringer forblev imidlertid mysteriet om, hvorvidt nogen form for stof kunne stoppe en neutrino, da den rejste gennem rummet. I overensstemmelse med standardmodellen for partikelfysik er dette noget, der skal ske lejlighedsvis.
Efter at have observeret interaktioner på IceCube i et år, fandt videnskabsteamet, at neutrinoerne, der måtte rejse længst gennem Jorden, var mindre tilbøjelige til at nå detektoren. Som Doug Cowen, en professor i fysik og astronomi / astrofysik ved Penn State, forklarede i en pressemeddelelse fra Penn State:
”Denne præstation er vigtig, fordi den for første gang viser, at neutrinoer med meget høj energi kan optages af noget - i dette tilfælde Jorden. Vi vidste, at neutrinoer med lavere energi passerer næsten alt, men selvom vi havde forventet, at neutrinoer med højere energi ville være forskellige, havde ingen tidligere eksperimenter været i stand til at demonstrere overbevisende, at neutrinoer med højere energi kunne stoppes af noget. ”
Eksistensen af neutrinoer blev først foreslået i 1930 af den teoretiske fysiker Wolfgang Pauli, som postulerede deres eksistens som en måde at forklare betafråelse med hensyn til bevarelse af energiloven. De er såkaldte, fordi de er elektrisk neutrale og kun interagerer med stof meget svagt - dvs. gennem den svage subatomiske kraft og tyngdekraften. På grund af dette passerer neutrinoer regelmæssigt normalt stof.
Mens neutrinoer produceres regelmæssigt af stjerner og atomreaktorer her på Jorden, blev de første neutrinoer dannet under Big Bang. Undersøgelsen af deres interaktion med normal stof kan derfor fortælle os meget om, hvordan universet udviklede sig i løbet af milliarder af år. Mange forskere forventer, at undersøgelsen af neutrinoer vil indikere eksistensen af ny fysik, der går ud over standardmodellen.
På grund af dette var videnskabsteamet lidt overrasket (og måske skuffet) med deres resultater. Som Francis Halzen - den vigtigste efterforsker for IceCube Neutrino Observatory og en professor i fysik ved University of Wisconsin-Madison - forklarede:
”At forstå, hvordan neutrinoer interagerer, er nøglen til funktionen af IceCube. Vi håbede naturligvis på, at der skulle dukke op en ny fysik, men vi finder desværre, at standardmodellen som sædvanligvis tåler testen.
For det meste var neutrinoerne, der blev valgt til denne undersøgelse, mere end en million gange mere energiske end dem, der er produceret af vores sol- eller atomkraftværker. Analysen inkluderede også nogle, der var astrofysiske i naturen - dvs. produceret uden for Jordens atmosfære - og kan være blevet fremskyndet mod Jorden af supermassive sorte huller (SMBH'er).
Darren Grant, professor i fysik ved University of Alberta, er også talsmand for IceCube-samarbejdet. Som han antydede, åbner denne seneste interaktionsundersøgelse døre for fremtidig neutrino-forskning. ”Neutrinos har et ret velfortjent ry for at overraske os med deres opførsel,” sagde han. ”Det er utroligt spændende at se denne første måling og det potentiale, det har for fremtidige præcisionstest.”
Denne undersøgelse leverede ikke kun den første måling af jordens absorption af neutrinoer, den giver også muligheder for geofysiske forskere, der håber at bruge neutrinoer til at udforske Jordens indre. I betragtning af at Jorden er i stand til at stoppe nogle af de milliarder af højenergipartikler, der rutinemæssigt passerer gennem den, kunne forskere udvikle en metode til at studere Jordens indre og ydre kerne og placere mere nøjagtige begrænsninger på deres størrelse og densitet.
Det viser også, at IceCube-observatoriet er i stand til at nå ud over sit oprindelige formål, som var partikelfysikforskning og undersøgelse af neutrinoer. Som denne seneste undersøgelse tydeligt viser, er den også i stand til at bidrage til planetarisk forskning og nukleær fysik. Fysikere håber også at bruge den fulde 86-strengede IceCube-matrix til at gennemføre en flerårig analyse, der undersøger endnu større intervaller af neutrinoenergier.
Som James Whitmore - programdirektøren i National Science Foundation (NSF) fysikdivision (som giver støtte til IceCube) - antydede, kunne dette give dem mulighed for virkelig at søge efter fysik, der går ud over standardmodellen.
”IceCube blev bygget til både at udforske fysikens grænser og derved muligvis udfordre eksisterende opfattelser af universets natur. Denne nye fund og andre, der endnu kommer, er i den ånd af videnskabelig opdagelse. ”
Lige siden opdagelsen af Higgs-bosonen i 2012 har fysikere været sikre på, at den lange rejse til bekræftelse af standardmodellen nu var afsluttet. Siden da har de sat deres sæt længere i håb om at finde ny fysik, der kunne løse nogle af universets dybere mysterier - dvs. supersymmetri, en teori om alt (ToE) osv.
Dette såvel som at studere, hvordan fysik fungerer på de højeste energiniveauer (svarende til dem, der eksisterede under Big Bang), er fysikernes aktuelle beskæftigelse. Hvis de har succes, kan vi måske bare forstå, hvordan denne enorme ting, der kaldes universet, fungerer.
