Facilitatea de suprafață pentru experimentul IceCube, care se află sub aproape 1 milă (1,6 kilometri) de gheață în Antarctica. IceCube sugerează că neutrinii fantomatiști nu există, dar un nou experiment spune că da.
(Imagine: © Curtoazie de IceCube Neutrino Observatory)
În pustiul înghețat al Antarcticii se află un detector masiv de particule, IceCube Neutrino Observatory. Dar căutarea pe suprafață a instrumentului se va dovedi dificilă, deoarece cea mai mare parte a observatorului este prinsă sub gheață. Observatorul internațional a fost la vânătoare de neutrine - particule fără masă, fără sarcină, care nu interacționează aproape niciodată cu materia. Acum, observațiile sale pot rezolva unul dintre cele mai mari mistere din astronomie, răspunzând la întrebările din spatele originii neutrinilor și razelor cosmice.
Cea mai mare dintre toate
Observatorul IceCube Neutrino acoperă un kilometru cub lângă Polul Sud. Instrumentul acoperă un kilometru pătrat al suprafeței și se întinde până la 1.500 de metri adâncime. Este primul detector de neutrino gigaton construit vreodată.
În timp ce fotografiile cu IceCube arată adesea o clădire așezată pe suprafața înzăpezită, lucrarea reală este realizată mai jos. Experimentul multifuncțional include un tablou de suprafață, IceTop, un tablou de 81 de stații care se așează deasupra șirurilor. IceTop servește ca un detector de calibrare pentru IceCube, precum și detectarea dușurilor de aer din razele cosmice primare, precum și fluxul și compoziția acestora.
Subdetectorul interior dens, DeepCore, este centrala experimentului IceCube. Fiecare dintre stațiile IceTop este alcătuită din șiruri atașate la module optice digitale (DOM), care sunt dislocate pe o grilă hexagonală distanțată la 125 de metri distanță. Fiecare șir deține 60 de DOM-uri de baschet. Aici, adânc în interiorul gheții, IceCube este capabil să vâneze neutrinii care vin de la soare, din interiorul Căii Lactee și din afara galaxiei. Aceste particule fantomate sunt conectate la razele cosmice, cele mai mari particule de energie observate vreodată.
[Inrudite: Trasarea unui Neutrino la sursa sa: Descoperirea in imagini]
Particule misterioase
Razele cosmice au fost descoperite pentru prima dată în 1912. Exploziile puternice de radiații se ciocnesc constant cu Pământul, care curg din toate părțile galaxiei. Oamenii de știință au calculat că particulele încărcate trebuie să se formeze în unele dintre cele mai violente și mai puțin înțelese obiecte și evenimente din univers. Moartea stelară explozivă a unei stele, o supernovă, oferă o metodă de creare a razelor cosmice; găurile negre active din centrul galaxiilor un altul.
Deoarece razele cosmice sunt formate din particule încărcate, ele interacționează cu câmpurile magnetice ale stelelor și cu alte obiecte prin care trec. Câmpurile deformează și schimbă calea razelor cosmice, ceea ce face imposibilă cercetarea oamenilor de știință către sursa lor.
Acolo intră în joc neutrinii. La fel ca razele cosmice, se consideră că particulele cu masă scăzută se formează prin violență. Dar, deoarece neutrinii nu au nicio încărcare, ei trec pe câmpurile magnetice fără a-și schimba calea, călătorind în linie dreaptă de la sursa lor.
"Din acest motiv, căutarea surselor de raze cosmice a devenit și căutarea neutrinilor cu energie foarte mare", potrivit site-ului IceCube.
Totuși, aceleași caracteristici care fac din neutrini mesageri atât de buni înseamnă, de asemenea, că sunt dificil de detectat. În fiecare secundă, aproximativ 100 de miliarde de neutrini trec printr-un centimetru pătrat al corpului tău. Cele mai multe dintre ele provin de la soare și nu sunt suficient de energice pentru a fi identificate de IceCube, dar unele sunt probabil să fi fost produse în afara Calea Lactee.
Spotting neutrinos necesită utilizarea de materiale foarte clare, cum ar fi apă sau gheață. Când un singur neutrin se prăbușește într-un proton sau neutron în interiorul unui atom, reacția nucleară rezultată produce particule secundare care emană o lumină albastră cunoscută sub numele de radiația Cherenkov.
„Neutrinii pe care îi detectăm sunt ca niște amprente care ne ajută să înțelegem obiectele și fenomenele în care sunt produși neutrinii”, potrivit echipei IceCube.
Conditii grele
Polul Sud poate să nu fie spațiu exterior, dar aduce provocări proprii. Inginerii au început construcția pe IceCube în 2004, un proiect de șapte ani, care a fost finalizat în termen în 2010. Construcția ar putea avea loc doar câteva luni în fiecare an, peste vara emisferului sudic, care are loc din noiembrie până în februarie.
Găurirea a 86 de găuri a necesitat un tip special de burghiu - două dintre ele, de fapt. Primul a avansat prin firn, un strat de zăpadă compactat, până la 50 de metri (aproximativ 164 de picioare). Apoi, un burghiu de apă caldă de înaltă presiune s-a topit prin gheață la viteze de aproximativ 2 metri (6,5 picioare) pe minut, până la adâncimea de 2.450 de metri (8,038 metri sau 1,5 mile).
„Împreună, cele două exerciții au fost capabile să producă în mod constant găuri verticale aproape perfecte, gata pentru desfășurarea instrumentației la o viteză de o gaură la fiecare două zile”, potrivit IceCube.
Șirurile au trebuit apoi să fie dislocate rapid în apa topită înainte de înghețarea gheții. Înghețarea a durat câteva săptămâni pentru a se stabiliza, după care instrumentele au rămas de neatins, înghețate permanent în gheață și nu au putut fi reparate. Rata de avarie a instrumentelor a fost extrem de lentă, mai puțin de 100 din cei 5.500 de senzori care nu sunt operaționali.
IceCube a început să facă observații încă de la început, în timp ce alte șiruri erau implementate.
În momentul în care a început proiectul pentru prima dată, cercetătorii nu au fost clar despre cât de departe ar străbate lumina prin gheață, potrivit Halzen. Cu aceste informații bine stabilite, colaborarea lucrează la IceCube-Gen2. Observatorul modernizat ar adăuga aproximativ 80 de șiruri de detector în plus, în timp ce înțelegerea proprietăților gheții va permite cercetătorilor să plaseze senzorii mult mai mult decât estimările lor conservatoare inițiale. IceCube-Gen2 ar trebui să dubleze dimensiunea observatorului pentru aproximativ același cost.
Știință incredibilă
IceCube a început vânătoarea de neutrini înainte de a fi finalizat, producând mai multe rezultate științifice intrigante pe parcurs.
Între mai 2010 și mai 2012, IceCube a observat 28 de particule cu energie foarte mare. Halzen a atribuit capacitatea detectorului de a observa aceste evenimente extreme finalizării detectorului.
"Acesta este primul indiciu al neutrinilor cu energie foarte mare care provin din afara sistemului nostru solar, cu energii de peste un milion de ori cele observate în 1987 în legătură cu o supernovă văzută în Marele Magellanic Cloud", spune Halzen într-un comunicat. "Este îmbucurător să vedem în cele din urmă ceea ce am căutat. Aceasta este zorii unei noi epoci a astronomiei."
În aprilie 2012, au fost detectate o pereche de neutrini de mare energie și poreclit Bert și Ernie, după personajele din emisiunea de televiziune pentru copii „Street Sesame”. Cu energii peste 1 petaelectronvolt (PeV), perechea a fost prima neutrină detectată definitiv din afara sistemului solar încă din supernova din 1987.
„Este o descoperire majoră”, a declarat Uli Katz, fizician în particule la Universitatea din Erlangen-Nuremberg, în Germania, care nu a fost implicat în cercetare. "Cred că este una dintre descoperirile majore absolute în fizica astro-particule", a declarat Katz pentru Space.com.
Aceste observații au determinat ca IceCube să fie premiat cu Fiscul World 2013 descoperire a anului.
O altă remunerație majoră a venit pe 4 decembrie 2012, când observatorul a detectat un eveniment pe care oamenii de știință l-au numit Big Bird, tot din „Sesame Street”. Big Bird a fost un neutrin cu o energie care depășește 2 cvadrilioni de electroni volți, de peste un milion de milioane de ori mai mare decât energia unei radiografii dentare, împachetată într-o singură particulă cu mai puțin de o milionime din masa unui electron. La vremea respectivă, acesta era neutrino cu cea mai mare energie detectat vreodată; din 2018, încă se află pe locul doi.
Cu ajutorul telescopului spațial Fermi Gamma de la NASA, oamenii de știință au legat Big Bird de focarul puternic energic al unui blazar cunoscut sub numele de PKS B1424-418. Blazars sunt alimentate de găuri negre supermasive din centrul unei galaxii. Pe măsură ce gaura neagră trântește materialul, o parte din material este deviată în jeturi care transportă atât de multă energie, care strălucesc stelele din galaxie. Jeturile accelerează materia, creând neutrini și fragmente de atomi care creează unele raze cosmice.
Începând din vara anului 2012, blazarul a strălucit între 15 și 30 de ori mai luminos în razele gamma decât media sa înainte de erupție. Un program de observare pe termen lung, numit TANAMI, care a monitorizat de rutină aproape 100 de galaxii active pe cerul sudic, a dezvăluit că nucleul jetului galaxiei s-a luminat de patru ori între 2011 și 2013.
"Nicio altă galaxie observată de TANAMI de-a lungul vieții programului nu a prezentat o schimbare atât de dramatică", a declarat Eduardo Ros, de la Institutul Max Planck pentru Radio Astronomie (MPIfR) din Germania, într-o declarație din 2016. Echipa a calculat că cele două evenimente au fost legate.
"Ținând cont de toate observațiile, blazarul pare să fi avut mijloace, motiv și oportunitate să dea foc neutrinului Big Bird, ceea ce îl face suspectul nostru principal", a declarat Matthias Kadler, profesor de astrofizică la Universitatea din Würzburg în Germania."
În iulie 2018, IceCube a anunțat că, pentru prima dată, a urmărit neutrinii înapoi la blazarul lor sursă. În septembrie 2017, datorită unui sistem de alertă nou instalat, care a transmis oamenilor de știință din întreaga lume în câteva minute de la depistarea unui candidat puternic neutrino, cercetătorii au putut să-și întoarcă rapid telescoapele în direcția în care este emis noul semnal. Fermi a alertat cercetătorii cu privire la prezența unui blazar activ, cunoscut sub numele de TXS-0506 + 056, în aceeași parte a cerului. Noile observații au confirmat faptul că blazarul a luat foc, emițând explozii de energie mai luminoase decât de obicei.
În cea mai mare parte, TXS este un blazar tipic; este unul dintre cele mai strălucitoare blazere detectate de Fermi. Cu toate acestea, în timp ce alți 99 sunt strălucitori, nu au aruncat neutrinii spre IceCube. În ultimele luni, TXS s-a aprins, s-a luminat și s-a întunecat la fel de mult de o sută de ori mai puternic decât în anii precedenți.
"Urmărirea acelui neutrin de mare energie detectat de IceCube înapoi la TXS 0506 + 056 face ca aceasta să fie prima dată când am reușit să identificăm un obiect specific ca sursa probabilă a unui neutrin cu energie mare", a spus Gregory Sivakoff, de la Universitate. din Alberta în Canada, a declarat într-o declarație.
IceCube nu a fost încă terminat. Noul sistem de alertă îi va ține pe astronomi în picioare în anii următori. Observatorul are o durată de viață planificată de 20 de ani, deci există cel puțin încă un deceniu de descoperiri incredibile care vin din observatorul Polului Sud.
