Na postaji Južni pol Amundsen – Scott na Antarktiki leži ledeni observatorij IceCube - objekt, namenjen preučevanju elementarnih delcev, znanih kot nevtrino. Ta sklop je sestavljen iz 5.160 sferičnih optičnih senzorjev - digitalnih optičnih modulov (DOM) - zakopanih v kubičnem kilometru čistega ledu. Trenutno je ta observatorij največji nevtino detektor na svetu in je zadnjih sedem let preučeval, kako se ti delci obnašajo in medsebojno delujejo.
Najnovejša študija, ki jo je objavila kolaboracija IceCube, je s pomočjo fizikov z univerze Pennsylvania State izmerila sposobnost Zemlje za blokiranje nevtrinov prvič. V skladu s standardnim modelom fizike delcev so ugotovili, da medtem ko bili trilijoni nevtrinov redno prehajajo skozi Zemljo (in nas), jo nekateri občasno ustavijo.
Študija z naslovom "Merjenje preseka medsebojnega delovanja nevtrino Multi-TeV z ledeno kocko z uporabo absorbcije zemlje" se je nedavno pojavila v znanstveni reviji Narava. Rezultati študijske skupine so temeljili na opazovanju 10 874 interakcij visokotnergičnih nevtrinov, ki so se gibali navzgor, ki so bili zabeleženi tekom leta v opazovalnici.
Leta 2013 so s sodelovanjem IceCube opravili prve zaznave visokoenergijskih nevtrinov. Ti nevtrini - za katere se domneva, da imajo astrofizični izvor - so bili v območju peta-elektronskih voltov, zaradi česar so bili nevtrini z največjo energijo odkriti doslej. IceCube išče znake teh interakcij z iskanjem Čerenkovega sevanja, ki nastane po tem, ko se hitro gibljejo nabiti delci upočasnijo z interakcijo z normalno snovjo.
Z zaznavanjem nevtrinov, ki delujejo na čistem ledu, so instrumenti IceCube lahko ocenili energijo in smer potovanja nevtrinov. Kljub tem odkritjem pa ostaja skrivnost, ali lahko katerakoli zadeva ustavi nevtrino med potovanjem skozi vesolje. V skladu s standardnim modelom fizike delcev se to občasno mora zgoditi.
Potem ko je eno leto opazoval interakcije v IceCubeu, je znanstvena skupina ugotovila, da so nevtrini, ki so morali potovati najbolj oddaljeno po Zemlji, manj verjetno, da bi prišli do detektorja. Kot je v sporočilu za javnost Penn pojasnil Doug Cowen, profesor fizike in astronomije / astrofizike na Penn Stateu:
"Ta dosežek je pomemben, ker prvič kaže, da lahko zelo visokoenergijske nevtrine absorbira nekaj - v tem primeru Zemlja. Vedeli smo, da nevtrini z nižjo energijo prehajajo skorajda vse, a čeprav smo pričakovali, da bodo nevtrinovi z višjo energijo različni, noben prejšnji poskus ni mogel prepričljivo dokazati, da nevtrine z višjo energijo lahko zaustavi karkoli. "
Obstoj nevtrinov je prvič predlagal leta 1930 teoretični fizik Wolfgang Pauli, ki je njihov obstoj postavil kot način razlage beta razpada v smislu ohranjanja energetskega zakona. Tako so poimenovani, ker so električno nevtralni in s snovjo delujejo le zelo šibko - to je s pomočjo šibke subatomske sile in gravitacije. Zaradi tega nevtrini redno prehajajo skozi normalno snov.
Medtem ko nevtrine redno proizvajajo zvezde in jedrski reaktorji tukaj na Zemlji, so se prvi nevtrini pojavili med velikim praskom. Študija njihovega medsebojnega delovanja z normalno snovjo nam torej lahko pove veliko o tem, kako se je vesolje razvijalo skozi milijarde let. Številni znanstveniki predvidevajo, da bo študija nevtrinov pokazala na obstoj nove fizike, ki presega standardni model.
Zaradi tega je bila znanstvena ekipa nekoliko presenečena (in morda razočarana) s svojimi rezultati. Kot je pojasnil Francis Halzen - glavni raziskovalec Nevtrinskega observatorija IceCube in profesor fizike na Univerzi Wisconsin-Madison:
»Razumevanje interakcije nevtrinov je ključno za delovanje IceCube. Seveda smo upali, da se bo pojavila nova fizika, a na žalost ugotavljamo, da standardni model kot običajno zdrži test.
Večinoma so bili nevtrini, izbrani za to študijo, več kot milijon krat bolj energični od tistih, ki jih proizvajajo naše Sonce ali jedrske elektrarne. V analizo so bili vključeni tudi nekateri, ki so bili po naravi astrofizični - tj. Proizvedeni zunaj Zemljine atmosfere - in bi jih lahko na Zemljo pospešili supermasivne črne luknje (SMBH).
Darren Grant, profesor fizike na univerzi v Alberti, je tudi tiskovni predstavnik organizacije IceCube. Kot je navedel, ta zadnja študija interakcij odpira vrata za prihodnje nevtrinske raziskave. "Nevtrini imajo precej zaslužen sloves, da so nas presenetili s svojim vedenjem," je dejal. "Neverjetno vznemirljivo je videti to prvo meritev in potencial, ki ga ima za prihodnje preizkuse natančnosti."
Ta študija ni prinesla samo prvega merjenja absorpcije nevtrinov na Zemlji, temveč ponuja tudi priložnost za geofizične raziskovalce, ki upajo, da bodo nevtrino uporabili za raziskovanje Zemljine notranjosti. Glede na to, da je Zemlja sposobna zaustaviti nekaj milijard visokoenergijskih delcev, ki rutinsko prehajajo skozi njo, bi znanstveniki lahko razvili metodo za preučevanje notranjega in zunanjega jedra Zemlje, s čim natančnejšimi omejitvami glede njihovih velikosti in gostote.
Pokaže tudi, da je Observatorij IceCube sposoben doseči svoj prvotni namen, to sta bila raziskava fizike delcev in proučevanje nevtrinov. Kot kaže ta zadnja študija, lahko prispeva tudi k raziskavam planetarnih znanosti in jedrski fiziki. Fiziki tudi upajo, da bodo uporabili celotno lestvico z 86-struno IceCube za večletno analizo, ki bo preučila še višje območje nevtrinskih energij.
Kot je poudaril James Whitmore - programski direktor v oddelku za fiziko Nacionalne znanstvene fundacije (ki zagotavlja podporo IceCube-u), bi jim to lahko omogočilo resnično iskanje fizike, ki presega standardni model.
„IceCube je bil zgrajen tako, da raziskuje meje fizike in s tem morebiti izziva obstoječe dojemanje narave vesolja. Ta nova ugotovitev in drugi, ki še prihajajo, so v duhu znanstvenega odkrivanja. "
Že od odkritja Higgsovega bozona leta 2012 so bili fiziki varni, ko so vedeli, da je dolga pot potrditve standardnega modela zdaj končana. Od takrat so svoje setove nastavili dlje, v upanju, da bodo našli novo fiziko, ki bi lahko razrešila nekatere globlje skrivnosti Vesolja - tj. Supersimetrijo, teorijo vsega (ToE) itd.
To, pa tudi preučevanje, kako fizika deluje na najvišjih ravneh energije (podobno tistim, ki so obstajale v času velikega poka), je trenutna preokupacija fizikov. Če bodo uspešni, bomo morda šele razumeli, kako deluje ta množična stvar, znana kot Vesolje.
