Na stanici Pola Amundsen-Scott na Antarktici nalazi se Neutrino opservatorij IceCube - postrojenje posvećeno proučavanju elementarnih čestica poznatih kao neutrino. Ovaj niz sastoji se od 5.160 sfernih optičkih senzora - digitalnih optičkih modula (DOM) - ukopanih unutar kubnog kilometra čistog leda. Trenutno je ovaj opservatorij najveći neutrinski detektor na svijetu i proveo je posljednjih sedam godina proučavajući kako se te čestice ponašaju i djeluju.
Najnovija studija objavljena u suradnji s tvrtkom IceCube, uz pomoć fizičara s Državnog sveučilišta u Pennsylvania, mjeri prvi put sposobnost Zemlje da blokira neutrine. U skladu sa Standardnim modelom fizike čestica, utvrdili su da, dok triliji neutrina redovito prolaze kroz Zemlju (i nas), neki ju povremeno zaustave.
Studija pod nazivom "Mjerenje presjeka interakcije Multi-TeV Neutrino s ledenom kockom pomoću apsorpcije zemlje" nedavno se pojavila u znanstvenom časopisu Priroda. Rezultati istraživačkog tima temeljili su se na promatranju 10 874 interakcije visokih energetskih neutrina koji se kreću prema gore, a zabilježeni su tijekom godine u opservatoriju.
Još 2013. godine prva otkrivanja visokoenergetskih neutrina obavljena je suradnjom IceCube-a. Ti neutrini - za koje se smatralo da su podrijetla astrofizičkog porijekla - bili su u rasponu peta-elektronskih volta, što ih čini neutrinom s najvišom energijom do sada. IceCube traži znakove tih interakcija tražeći Cherenkov zračenje, koje nastaje nakon što brzo naelektrisane čestice usporavaju interakcijom s normalnom materijom.
Otkrivanjem neutrina koji komuniciraju s čistim ledom, instrumenti IceCube mogli su procijeniti energiju i smjer putovanja neutrina. Unatoč tim otkrićima, ostala je misterija oko toga može li neka vrsta materije zaustaviti neutrinu dok putuje kroz svemir. U skladu sa Standardnim modelom fizike čestica, to bi se trebalo povremeno dogoditi.
Nakon što su tijekom godinu dana promatrali interakcije na IceCubeu, znanstveni tim otkrio je da je vjerojatno da će neutrini koji su morali putovati najdalje kroz Zemlju, manja vjerovatnoća doći do detektora. Kao što je Doug Cowen, profesor fizike i astronomije / astrofizike na Penn Stateu, objasnio u izjavi za Penn State:
„Ovo je dostignuće važno jer po prvi put pokazuje da se visoko-energetski neutrini mogu apsorbirati nečim - u ovom slučaju Zemljom. Znali smo da neutrini niže energije prolaze kroz gotovo sve, ali iako smo očekivali da će neutrini s višom energijom biti drugačiji, nijedan prethodni eksperiment nije uspio uvjerljivo pokazati da neutrinove s višom energijom može zaustaviti bilo što. "
Postojanje neutrina prvi je put predložio 1930. godine teorijski fizičar Wolfgang Pauli, koji je postulirao njihovo postojanje kao način objašnjenja beta raspada u smislu zakona o očuvanju energije. Tako su imenovani jer su električno neutralni, a materiju djeluju samo vrlo slabo - tj. Putem slabe subatomske sile i gravitacije. Zbog toga neutrini redovito prolaze kroz normalnu materiju.
Dok neutrinose redovito proizvode zvijezde i nuklearni reaktori ovdje na Zemlji, prvi neutrini nastali su tijekom Velikog praska. Proučavanje njihove interakcije s normalnom materijom može nam stoga reći puno o tome kako se Svemir razvijao tijekom milijardi godina. Mnogi znanstvenici pretpostavljaju da će istraživanje neutrina ukazati na postojanje nove fizike, one koja nadilazi standardni model.
Zbog toga je znanstveni tim pomalo iznenadio (i možda razočarao) svojim rezultatima. Kao što je Francis Halzen, glavni istraživač Neutrinog opservatorija IceCube i profesor fizike na Sveučilištu Wisconsin-Madison, objasnio:
„Razumijevanje interakcije neutrina ključno je za djelovanje IceCubea. Naravno da smo se nadali pojavi neke nove fizike, ali nažalost nalazimo da standardni model, kao i obično, podnosi test.
Za veći dio, neutrini odabrani za ovu studiju bili su više od milijun puta energičniji od onih koje proizvode naše Sunce ili nuklearne elektrane. Analiza je također uključila neke koji su bili astrofizičke prirode - tj. Proizvedeni izvan Zemljine atmosfere - a možda su ih ubrzali prema Zemlji supermasivne crne rupe (SMBH).
Darren Grant, profesor fizike na Sveučilištu Alberta, također je glasnogovornik suradnje IceCube. Kao što je naveo, ova posljednja studija interakcije otvara vrata za buduća neutrinska istraživanja. "Neutrinovi su poprilično dobro zaradili ugled da nas iznenađuju svojim ponašanjem", rekao je. "Nevjerojatno je uzbudljivo vidjeti ovo prvo mjerenje i potencijal koji ima za buduće testove preciznosti."
Ova studija nije pružila samo prvo mjerenje Zemljine apsorpcije neutrina, već nudi i mogućnosti geofizičkim istraživačima koji se nadaju da će pomoću neutrina istražiti Zemljinu unutrašnjost. S obzirom da je Zemlja sposobna zaustaviti neke od milijardi visokoenergetskih čestica koje rutinski prolaze kroz nju, znanstvenici bi mogli razviti metodu za proučavanje unutarnje i vanjske jezgre Zemlje, postavljajući preciznija ograničenja na njihove veličine i gustoće.
Također pokazuje da je opservatorij IceCube sposoban dostići izvan svoje prvotne svrhe, a to su bila istraživanja fizike čestica i proučavanje neutrina. Kao što ovo najnovije istraživanje jasno pokazuje, može pridonijeti i istraživanju planetarnih znanosti i nuklearne fizike. Fizičari se također nadaju da će koristiti čitav niz IceCube od 86 niza za provođenje višegodišnje analize, ispitujući još veće domete neutrinskih energija.
Kao što je James Whitmore - programski direktor u odsjeku za fiziku Nacionalne zaklade za znanost (koji pruža podršku za IceCube) - to bi im moglo omogućiti da istinski traže fiziku koja nadilazi standardni model.
„IceCube je izgrađen kako za istraživanje granica fizike, tako da eventualno dovodi u pitanje postojeće percepcije prirode svemira. Ovo novo otkriće i ostali koji tek dolaze su u tom duhu znanstvenog otkrića. "
Otkako su otkrili Higgsov bozon 2012. godine, fizičari su bili sigurni u spoznaju da je dug put za potvrdu Standardnog modela sada završen. Od tada su postavili svoje komplete dalje nadajući se da će pronaći novu fiziku koja bi mogla razriješiti neke dublje misterije svemira - tj. Supersimetriju, teoriju svega (ToE) itd.
To je, kao i proučavanje rada fizike na najvišim energetskim razinama (slično onima koje su postojale tijekom Velikog praska), trenutna preokupacija fizičara. Ako budu uspješni, možda ćemo tek shvatiti kako funkcionira ova ogromna stvar poznata kao Univerzum.
