Ved Amundsen – Scott South Pole Station i Antarktis ligger IceCube Neutrino Observatory - et anlegg dedikert til studiet av elementære partikler kjent som neutrino. Denne matrisen består av 5,160 sfæriske optiske sensorer - Digital Optical Modules (DOMs) - begravet innen en kubikk kilometer med klar is. For tiden er dette observatoriet den største nøytrino-detektoren i verden og har brukt de siste syv årene på å studere hvordan disse partiklene oppfører seg og samhandler.
Den siste studien som ble utgitt av IceCube-samarbeidet, med bistand fra fysikere fra Pennsylvania State University, har målt jordas evne til å blokkere nøytrinoer for første gang. I samsvar med standardmodellen for partikkelfysikk, slo de fast at mens billioner av nøytrinoer passerer jorden (og oss) med jevne mellomrom, blir noen av og til stoppet av den.
Studien, med tittelen "Måling av Multi-TeV Neutrino-interaksjonstverrsnitt med IceCube ved bruk av jordabsorpsjon", dukket nylig opp i det vitenskapelige tidsskriftet Natur. Studieteamets resultater var basert på observasjonen av 10 784 interaksjoner gjort av høye energi, oppadgående bevegelige nøytrinoer, som ble registrert i løpet av et år ved observatoriet.
Tilbake i 2013 ble de første påvisningene av nøytrinoer med høy energi gjort av IceCube-samarbeidet. Disse nøytrinoene - som antas å være astrofysiske, oppsto i peta-elektron-voltområdet, noe som gjorde dem til den høyeste energinøytrinoen som ble oppdaget til dags dato. IceCube søker etter tegn på disse interaksjonene ved å lete etter Cherenkov-stråling, som produseres etter at raskt bevegelige ladede partikler er bremset opp ved å samhandle med normal materie.
Ved å oppdage nøytrinoer som samhandler med den klare isen, var IceCube-instrumentene i stand til å estimere energien og kjøreretningen til nøytrinoene. Til tross for disse oppdagelsene, gjensto imidlertid mysteriet om hvorvidt noen form for materie kunne stoppe en nøytrino når den reiste gjennom verdensrommet. I samsvar med standardmodellen for partikkelfysikk er dette noe som bør skje av og til.
Etter å ha observert samhandlinger på IceCube i et år, fant forskerteamet at nøytrinoene som måtte reise lengst gjennom Jorden, var mindre sannsynlig å nå detektoren. Som Doug Cowen, professor i fysikk og astronomi / astrofysikk ved Penn State, forklarte i en pressemelding fra Penn State:
“Denne bragden er viktig fordi den for første gang viser at nøytrinoer med meget høy energi kan tas opp av noe - i dette tilfellet jorden. Vi visste at nøytrinoer med lavere energi passerer omtrent hva som helst, men selv om vi hadde forventet at nøytrinoer med høyere energi ville være annerledes, hadde ingen tidligere eksperimenter klart å demonstrere overbevisende at nøytrinoer med høyere energi kunne stoppes av noe. ”
Eksistensen av nøytrinoer ble først foreslått i 1930 av teoretisk fysiker Wolfgang Pauli, som postulerte deres eksistens som en måte å forklare beta-forfall når det gjelder bevaring av energiloven. De er såkalte fordi de er elektrisk nøytrale, og samhandler bare med materien veldig svakt - dvs. gjennom den svake subatomiske kraften og tyngdekraften. På grunn av dette går nøytrinoer gjennom normal materie regelmessig.
Mens nøytrinoer produseres jevnlig av stjerner og atomreaktorer her på jorden, ble de første nøytrinoene dannet under Big Bang. Studien av deres interaksjon med normal materie kan derfor fortelle oss mye om hvordan universet utviklet seg i løpet av milliarder av år. Mange forskere forventer at studiet av nøytrinoer vil indikere eksistensen av ny fysikk, som går utover standardmodellen.
På grunn av dette ble vitenskapsteamet litt overrasket (og kanskje skuffet) med resultatene. Som Francis Halzen - hovedetterforsker for IceCube Neutrino Observatory og professor i fysikk ved University of Wisconsin-Madison - forklarte:
“Å forstå hvordan nøytrinoer samhandler er nøkkelen til driften av IceCube. Vi håpet selvfølgelig på at det skulle komme noen ny fysikk, men vi synes dessverre at Standardmodellen tåler testen som vanlig.
For det meste var nøytrinoene som ble valgt for denne studien mer enn en million ganger mer energiske enn de som er produsert av solen eller atomkraftverkene våre. Analysen inkluderte også noen som var astrofysiske i naturen - dvs. produsert utenfor jordas atmosfære - og kan ha blitt akselerert mot Jorden av supermassive sorte hull (SMBH).
Darren Grant, professor i fysikk ved University of Alberta, er også talsperson for IceCube Collaboration. Som han antydet, åpner denne siste interaksjonsstudien dører for fremtidig neutrino-forskning. "Neutrinos har et godt fortjent rykte for å overraske oss med oppførselen sin," sa han. "Det er utrolig spennende å se denne første målingen og potensialet det har for fremtidige presisjonstester."
Denne studien ga ikke bare den første målingen av jordas opptak av nøytrinoer, den gir også muligheter for geofysiske forskere som håper å bruke nøytrinoer for å utforske Jordens indre. Med tanke på at Jorden er i stand til å stoppe noen av milliarder av partikler med høyt energi som rutinemessig passerer gjennom den, kunne forskere utvikle en metode for å studere jordas indre og ytre kjerne, og plassere mer nøyaktige begrensninger for deres størrelse og tetthet.
Det viser også at IceCube-observatoriet er i stand til å nå utover det opprinnelige formålet, som var partikkelfysikkforskning og studiet av nøytrinoer. Som denne siste studien tydelig viser, er den også i stand til å bidra til planetarvitenskapelig forskning og kjernefysikk. Fysikere håper også å bruke hele 86-strengers IceCube-matrisen for å gjennomføre en flerårig analyse, og undersøke enda høyere utvalg av nøytrinoenergier.
Som James Whitmore - programdirektøren i National Science Foundation (NSF) fysikkdivisjon (som gir støtte til IceCube) - antydet, kan dette gjøre at de virkelig kan søke etter fysikk som går utover standardmodellen.
IceCube ble bygget for både å utforske fysikkens grenser og for å kunne utfordre eksisterende oppfatninger av universets natur. Dette nye funnet og andre som kommer fremover er i den ånden av vitenskapelig oppdagelse. ”
Helt siden oppdagelsen av Higgs-bosonet i 2012, har fysikere vært sikre på kunnskapen om at den lange reisen for å bekrefte standardmodellen nå var fullført. Siden den gang har de satt sine sett lenger, i håp om å finne ny fysikk som kan løse noen av de dypere mysteriene til universet - dvs. supersymmetri, en teori om alt (ToE), etc.
Dette, samt å studere hvordan fysikk fungerer på de høyeste energinivåene (ligner de som eksisterte under Big Bang) er fysikernes nåværende opptatthet. Hvis de lykkes, kan vi kanskje forstå hvordan denne enorme tingen kjent som universet fungerer.
