Antarktikas Amundseni – Scotti lõunapooluse jaamas asub IceCube Neutrino observatoorium - rajatis, mis on pühendatud neutriino nime all tuntud põhiosakeste uurimisele. See massiiv koosneb 5160 sfäärilisest optilisest andurist - digitaalsetest optilistest moodulitest (DOM-id) -, mis on maetud kuupmeetri kilomeetri sügavusse jäässe. Praegu on see vaatluskeskus maailma suurim neutriinodetektor ja on viimased seitse aastat veetnud nende osakeste käitumise ja koostoimimise kohta.
Viimane uuring, mille IceCube koostas Pennsylvania osariigi ülikooli füüsikute abiga, avaldas esimest korda Maa võimet blokeerida neutriine. Kooskõlas osakestefüüsika standardmudeliga leidsid nad, et kuigi triljoneid neutriineid läbib Maad (ja meid) regulaarselt, peatub mõni aeg-ajalt see.
Hiljuti ilmus teadusajakirjas uurimus pealkirjaga „Multi-TeV neutriino interaktsiooni ristlõike mõõtmine IceCube'iga maapinna neeldumise abil“ Loodus. Uurimisrühma tulemused põhinesid vaatlusel 10 784 interaktsiooni, mille tegid suure energiaga ülespoole liikuvad neutriinod, mis registreeriti vaatluskeskuses aasta jooksul.
Aastal 2013 tehti IceCube'i koostöös esimesed kõrge energiaga neutriinode tuvastamised. Need neutriinod - mille päritolu arvati olevat astrofüüsikalised - olid peta-elektronide voltivahemikus, muutes neist seni kõrgeima energiaga neutriinodest. IceCube otsib nende koostoimete märke, otsides Cherenkovi kiirgust, mis tekib pärast seda, kui kiiresti liikuvad laetud osakesed on normaalse ainega suheldes aeglustunud.
Tuvastades selge jääga interakteeruvaid neutriine, suutsid IceCube'i instrumendid hinnata neutrinode energiat ja liikumissuunda. Hoolimata nendest avastustest jäi siiski mõistatuseks, kas kosmose kaudu rännates saab neutriino peatada mis tahes ainega või mitte. Tahkete osakeste füüsika standardmudeli kohaselt peaks see midagi juhtuma.
Pärast aasta jooksul IceCube'is toimuvate koostoimingute jälgimist leidis teadusrühm, et Maa kaudu kõige kaugemal liikuvad neutriinod jõuavad detektorini vähem. Nagu Penn State'i füüsika ja astronoomia / astrofüüsika professor Doug Cowen Penn State'i pressiteates selgitas:
„See saavutus on oluline, kuna see näitab esimest korda, et väga kõrge energiatarbimisega neutriinod võivad midagi neelata - antud juhul Maa. Me teadsime, et madalama energiaga neutriinod läbivad peaaegu kõik, kuid ehkki eeldasime, et kõrgema energiaga neutriinod on erinevad, ei olnud ükski varasem katse suutnud veenvalt näidata, et kõrgema energiaga neutriinod võivad miski peatada. "
Neutriinode olemasolu pakkus esmakordselt välja 1930. aastal teoreetiline füüsik Wolfgang Pauli, kes postuleeris nende olemasolu viisina beeta lagunemise selgitamiseks energiaseaduse säilitamise osas. Neid nimetatakse sellepärast, et nad on elektriliselt neutraalsed ja interakteeruvad mateeriaga ainult väga nõrgalt - s.t nõrga alaatomilise jõu ja gravitatsiooni kaudu. Seetõttu läbivad neutriinod regulaarselt normaalset ainet.
Kui tähed ja tuumareaktorid toodavad siin maakeral regulaarselt neutriinoid, siis esimesed neutriinod moodustusid Suure Paugu ajal. Nende koostoime uurimine normaalse mateeriaga võib seepärast meile öelda palju sellest, kuidas Universum miljardeid aastaid edasi arenes. Paljud teadlased arvavad, et neutriinode uurimine näitab uue füüsika olemasolu, mis ületab standardmudeli.
Seetõttu oli teadustiim oma tulemustega mõnevõrra üllatunud (ja võib-olla ka pettunud). Nagu selgitas Francis Halzen - IceCube Neutrino vaatluskeskuse uurija ja Wisconsini-Madisoni ülikooli füüsikaprofessor - selgitas:
“IceCube'i toimimise võti on mõista, kuidas neutriinod interakteeruvad. Muidugi lootsime mõne uue füüsika ilmumist, kuid kahjuks leiame, et tavaline mudel peab katset vastu.
Enamasti olid selle uuringu jaoks valitud neutriinod enam kui miljon korda energilisemad kui need, mida toodetakse meie Päikeses või tuumaelektrijaamades. Analüüs hõlmas ka selliseid, mis olid oma olemuselt astrofüüsikalised - st toodetud väljaspool Maa atmosfääri - ja neid võisid supermassiivsete mustade aukude (SMBH) abil Maa suunas kiirendada.
IceCube'i koostöö eestkõneleja on ka Alberta ülikooli füüsikaprofessor Darren Grant. Nagu ta märkis, avab see uusim koostoimeuuring uksi edasisteks neutriino-uuringuteks. "Neutrinodel on üsna hästi teenitud maine, et üllatada meid oma käitumisega," sõnas ta. "On uskumatult põnev näha seda esimest mõõtmist ja selle potentsiaali edaspidisteks täpsustestideks."
See uuring ei pakkunud mitte ainult Maa neutriinide neeldumise esimest mõõtmist, vaid pakub ka võimalusi geofüüsikalistele uurijatele, kes loodavad kasutada neutriinosid Maa sisemuse uurimiseks. Arvestades, et Maa suudab peatada mõned miljardid kõrge energiaga osakestest, mis rutiinselt seda läbivad, võiksid teadlased välja töötada meetodi Maa sisemise ja välimise tuuma uurimiseks, seades nende suurusele ja tihedusele täpsemad piirangud.
See näitab ka, et IceCube'i vaatluskeskus on võimeline jõudma kaugemale oma algsest eesmärgist, milleks oli osakeste füüsika ja neutrinode uurimine. Nagu see viimane uuring selgelt näitab, on see võimeline andma oma panuse ka planeetide teadusuuringutesse ja tuumafüüsikasse. Samuti loodavad füüsikud mitmeaastase analüüsi läbiviimiseks kasutada kogu 86-stringist IceCube'i massiivi, uurides veelgi suuremat neutriinoenergia vahemikku.
Nagu osutas James Whitmore - National Science Foundationi (NSF) füüsikaosakonna (mis pakub IceCube'ile tuge) programmidirektor, võib see võimaldada neil tõeliselt otsida füüsikat, mis ületab standardmudelit.
„IceCube loodi selleks, et uurida nii füüsika piire kui ka seda tehes vaidlustada olemasolevaid arusaamu universumi olemusest. See uus leid ja muud eesseisvad on teadusliku avastuse vaimus. ”
Alates Higgsi bosoni avastamisest 2012. aastal on füüsikud kindlalt teadnud, et pikk mudel standardmudeli kinnitamiseks oli nüüd lõpule jõudnud. Pärast seda on nad oma komplektid kaugemale seadnud, lootes leida uut füüsikat, mis võiks lahendada mõned universumi sügavamad müsteeriumid - s.o supersümmeetria, kõige teooria (ToE of Everything, jne) jne.
See, aga ka füüsika töö kõrgeimal energiatasemel (sarnaselt Suure Paugu ajal eksisteerinud) on füüsikute praegune mure. Kui need õnnestuvad, võime võib-olla lihtsalt aru saada, kuidas see massiline asi, mida tuntakse Universumina, töötab.
