Površinski pogon za pokus IceCube, koji se nalazi na gotovo 1 milju (1,6 kilometara) leda na Antarktici. IceCube sugerira da sablasni neutrini ne postoje, ali novi eksperiment kaže da postoje.
(Slika: © Ljubazno tijelo Neutrinog opservatorija IceCube)
U ledenoj pustoši Antarktika sjedi masivni detektor čestica, IceCube Neutrino opservatorij. No, traženje površine za instrument će se pokazati teškim, jer je veliki dio opservatorija zarobljen ispod leda. Međunarodni opservatorij tražio je neutrine - nebrojene, neiscrpne čestice koje gotovo nikada ne stupaju u interakciju s materijom. Sada, njezina zapažanja mogu riješiti jednu od najvećih misterija astronomije, odgovarajući na pitanja koja stoje iza nastanka neutrina i kozmičkih zraka.
Najveći od svih
Neutrino opservatorij IceCube pokriva jedan kubični kilometar u blizini Južnog pola. Instrument prekriva kvadratni kilometar površine i proteže se na 4,920 stopa (1500 metara) dubine. To je prvi detektor gigatonskih neutrina ikad izgrađen.
Dok fotografije IceCube-a često prikazuju zgradu koja sjedi na snježnoj površini, pravi posao se obavlja u nastavku. Višenamjenski eksperiment uključuje površinski niz, IceTop, niz od 81 stanice koje sjede iznad žice. IceTop služi kao kalibracijski detektor za IceCube, kao i za otkrivanje tuševa zraka iz primarnih kozmičkih zraka, te njihovog protoka i sastava.
Gusti unutarnji poddetektor, DeepCore, pokretač je pokusa IceCube. Svaka IceTop stanica sastoji se od žica pričvršćenih na digitalne optičke module (DOM) koji su raspoređeni na šesterokutnoj mreži udaljenoj 125 metara (4 metra). Svaki niz sadrži 60 DOM-ova veličine košarke. Ovdje, duboko u ledu, IceCube je u mogućnosti loviti neutrine koji dolaze od sunca, iz Mliječnog puta i izvan galaksije. Te sablasne čestice povezane su s kozmičkim zrakama, najvećim energetskim česticama ikad promatranim.
[Povezano: Traženje neutrali do izvora: Otkriće u slikama]
Tajanstvene čestice
Kozmičke zrake prvi su put otkrivene 1912. Snažni udari radijacije neprestano se sudaraju sa Zemljom i dolaze iz svih dijelova galaksije. Znanstvenici su izračunali da se nabijene čestice moraju formirati u nekim najnasilnijim i najmanje shvaćenim objektima i događajima u svemiru. Eksplozivna zvjezdana smrt zvijezde, supernove, pruža jednu metodu stvaranja kozmičkih zraka; aktivne crne rupe u središtu galaksija još jedna.
Kako se svemirske zrake sastoje od nabijenih čestica, one međusobno djeluju s magnetskim poljima zvijezda i drugim objektima kroz koje prolaze. Polja se iskrivljavaju i pomiču put kozmičkih zraka, onemogućujući znanstvenicima da ih pronađu do njihovog izvora.
Tu se igraju neutrini. Poput kozmičkih zraka, smatra se da se čestice niske mase formiraju nasiljem. No, budući da neutrini nemaju naboja, oni prolaze magnetskim poljem ne mijenjajući svoj put, putujući ravno u pravcu od svog izvora.
"Iz tog razloga, potraga za izvorima kozmičkih zraka postala je i potraga za jako visokoenergetskim neutrinama", navodi se na web stranici IceCube-a.
Međutim, iste karakteristike zbog kojih su neutrini dobri glasnici, također znače da ih je teško otkriti. Svake sekunde oko 100 milijardi neutrina prođe kroz jedan kvadratni inčni dio vašeg tijela. Većina ih dolazi sa sunca i nisu dovoljno energetski da ih IceCube može prepoznati, ali neki su vjerojatno nastali izvan Mliječnog puta.
Za otkrivanje neutrina potrebna je upotreba vrlo bistrog materijala, poput vode ili leda. Kad se jedan neutrino sruši na proton ili neutron unutar atoma, nastala nuklearna reakcija stvara sekundarne čestice koje zrače plavom svjetlošću poznatom kao Čerenkovo zračenje.
"Neutrinovi koje detektiramo nalikuju otiscima prstiju koji nam pomažu da razumijemo predmete i pojave u kojima se neutrini stvaraju", tvrdi IceCube tim.
Teški uvjeti
Južni pol možda nije svemir, ali donosi svoje izazove. Inženjeri su započeli izgradnju na IceCubeu 2004. godine, sedmogodišnjem projektu koji je završen prema rasporedu 2010. Gradnja se mogla odvijati samo nekoliko mjeseci svake godine, tijekom ljeta na Južnoj hemisferi, a koje se događa od studenog do veljače.
Borne 86 rupe zahtijevale su posebnu vrstu bušilice - zapravo dvije. Prvi je napredovao kroz jelku, sloj zbijenog snijega, spuštajući se na oko 16 metara (50 metara). Zatim se bušilica s toplom vodom pod visokim pritiskom topila kroz led brzinom od oko 2 metra (6,5 stopa) u minuti, sve do dubine od 2450 metara (8,038 stopa ili 1,5 milja).
"Zajedno su dvije bušilice bile u stanju dosljedno proizvesti gotovo savršene vertikalne rupe spremne za razmještanje instrumentacije brzinom jednom rupom svaka dva dana", navodi IceCube.
Žice su se tada morale brzo umočiti u otopljenu vodu prije nego što se led smrznuo. Zamrzavanje je trajalo nekoliko tjedana da se stabilizira, nakon čega su instrumenti ostali nedodirljivi, trajno smrznuti u ledu i nemoguće ih je popraviti. Stopa otkaza instrumenata bila je vrlo spora, manje od 100 od 5.500 senzora koji trenutno ne rade.
IceCube je počeo davati zapažanja od početka, čak i dok su postavljali druge žice.
Kad je projekt prvi put započeo, istraživačima nije bilo jasno koliko će svjetlost putovati kroz led, prema Halzen. Uz dobro poznate informacije, suradnja se kreće prema IceCube-Gen2. Nadograđeni opservatorij dodao bi oko 80 više detektorskih žica, dok će razumijevanje svojstava leda istraživačima omogućiti da senzori postave rašireniji od njihovih izvornih konzervativnih procjena. IceCube-Gen2 trebao bi udvostručiti veličinu opservatorija za otprilike isti trošak.
Nevjerojatna znanost
IceCube je započeo lov na neutrine prije nego što je dovršen, što je na putu stvorilo nekoliko intrigantnih znanstvenih rezultata.
Između svibnja 2010. i svibnja 2012., IceCube je promatrao 28 vrlo energetskih čestica. Halzen je sposobnost detektora da promatra ove ekstremne događaje pripisao dovršetku detektora.
"Ovo je prvi pokazatelj vrlo visokoenergetskih neutrina koji dolaze izvan našeg Sunčevog sustava, s energijama više od milijun puta većim od onih opaženih 1987. u vezi s supernovom koja je viđena u velikom magnetskom oblaku", kaže Halzen u izjavi. "Zadovoljstvo je napokon vidjeti ono što smo tražili. Ovo je zora novog doba astronomije."
U travnju 2012., otkriveni su par visokoenergetskih neutrina koji su dobili nadimak Bert i Ernie, nakon likova iz dječje televizijske emisije "Ulica sezama". Sa energijom iznad 1 petaelektronvolta (PeV), par je bio prvi definitivno detektiran neutrino izvan sunčevog sustava od supernove 1987. godine.
"To je veliki pomak", rekao je Uli Katz, fizičar čestica sa Sveučilišta Erlangen-Nuremberg u Njemačkoj, koji nije bio uključen u istraživanje. "Mislim da je to jedno od apsolutno većih otkrića u fizici astro čestica", rekao je Katz za Space.com.
Ta su promatranja rezultirala time da je IceCube dobio nagradu za proboj godine Physics World 2013.
Drugi veliki dobitak dogodio se 4. prosinca 2012., kada je opservatorij otkrio događaj koji su znanstvenici prozvali Big Bird, također iz ulice "Sezam". Big Bird bio je neutrino s energijom većom od 2 kvadrilijuna elektrona volti, više od milijun milijuna puta većom od energije zubnog rendgenskog zračenja, spakiranog u jednu česticu s manje od milijun mase mase elektrona. U to je vrijeme to bio neutrino s najviše energije ikad otkriven; od 2018. godine još uvijek je na drugom mjestu.
Uz pomoć NASA-inog svemirskog teleskopa Fermi Gamma-ray, znanstvenici su vezali Big Bird za visokoenergetski izljev blaza poznatog pod nazivom PKS B1424-418. Blazare pokreću supermasivne crne rupe u središtu galaksije. Dok crna rupa spušta materijal, neki se materijal odbacuje u mlaznice koji nose toliko energije da zasjenjuju zvijezde u galaksiji. Mlaznice ubrzavaju materiju, stvarajući neutrine i fragmente atoma koji stvaraju neke kozmičke zrake.
Počevši u ljeto 2012., blazar je blistao između 15 i 30 puta svjetlije od gama zraka od svog prosjeka prije erupcije. Dugoročni program promatranja pod nazivom TANAMI, koji je rutinski nadgledao gotovo 100 aktivnih galaksija na južnom nebu, otkrio je da se jezgra mlaza galaksije svijetlila četiri puta između 2011. i 2013. godine.
"Nijedna druga naša galaksija koju je TANAMI promatrao tijekom trajanja programa nije pokazala tako dramatičnu promjenu", izjavio je u Njemačkoj Eduardo Ros iz Instituta Max Planck za radio astronomiju (MPIfR) u Njemačkoj. Tim je izračunao da su dva događaja povezana.
"Uzimajući u obzir sva zapažanja, čini se da je blazar imao sredstva, motiv i priliku da ispali neutrinu velike ptice, što nas čini glavnim sumnjam", rekao je Matthias Kadler, profesor astrofizike na Sveučilištu u Würzburgu u Njemačka."
U srpnju 2018. IceCube je objavio da je prvi put pratio neutrine do njihovog izvornog blazara. U rujnu 2017., zahvaljujući novoinstaliranom sustavu uzbune koji se emitirao znanstvenicima širom svijeta u roku od nekoliko minuta od otkrivanja snažnog neutrinog kandidata, istraživači su uspjeli brzo okrenuti svoje teleskope u smjeru iz kojeg potiče novi signal. Fermi je upozorio istraživače na prisutnost aktivnog blazara, poznatog kao TXS-0506 + 056, na istom dijelu neba. Nova zapažanja potvrdila su da je blazer plamtio, ispuštajući svjetliju energiju nego što je to uobičajeno.
Za veći dio, TXS je tipičan blazar; to je jedan od 100 najsjajnijih blazara koje je Fermi otkrio. Međutim, dok je 99 ostalih također svijetlih, oni nisu krenuli neutrino prema IceCubeu. Posljednjih mjeseci TXS je treperio, posvjetljavao i zatamnjivao čak sto puta jače nego prethodnih godina.
"Praćenje visokoenergetskog neutrina koji je IceCube otkrio do TXS 0506 + 056 ovo čini prvi put da smo uspjeli identificirati određeni objekt kao vjerojatni izvor takvog visokoenergetskog neutrina", Gregory Sivakoff sa Sveučilišta Alberta u Kanadi, stoji u izjavi.
IceCube još nije gotov. Novi sustav upozoravanja držat će astronome na nogama u narednim godinama. Planirani vijek opservatorije je 20 godina, tako da postoji najmanje još jedno desetljeće nevjerojatnih otkrića koja dolaze iz opservatorija Južni pol.
