În stația de sud Amundsen-Scott din Antarctica se află Observatorul IceCube Neutrino - o instalație dedicată studiului particulelor elementare cunoscute sub numele de neutrino. Acest tablou este format din 5.160 de senzori optici sferici - Module optice digitale (DOM) - îngropați într-un kilometru cub de gheață limpede. În prezent, acest observator este cel mai mare detector de neutrini din lume și a petrecut ultimii șapte ani studiind cum se comportă și interacționează aceste particule.
Cel mai recent studiu lansat de colaborarea IceCube, cu asistența fizicienilor de la Universitatea de Stat din Pennsylvania, a măsurat capacitatea Pământului de a bloca neutrinii pentru prima dată. În concordanță cu modelul standard al fizicii particulelor, ei au stabilit că în timp ce miliarde de neutrini trec pe Pământ (și noi) în mod regulat, unii sunt opriți ocazional de acesta.
Studiul, intitulat „Măsurarea secțiunii de interacțiune Neutrino Multi-TeV cu IceCube folosind absorbția Pământului”, a apărut recent în revista științifică Natură. Rezultatele echipei de studiu s-au bazat pe observarea a 10.784 de interacțiuni realizate de neutrinii cu energie mare, în sus, care au fost înregistrate pe parcursul unui an la observator.
În 2013, primele detectări ale neutrinilor cu energie mare au fost făcute prin colaborarea IceCube. Acești neutrini - despre care se credea că sunt de origine astrofizică - se aflau în gama de peta-electroni volt, ceea ce îi face să fie neutronii cu cea mai mare energie descoperită până în prezent. IceCube caută semnele acestor interacțiuni căutând radiația Cherenkov, care se produce după încetinirea particulelor încărcate prin interacțiunea cu materia normală.
Prin detectarea neutrinilor care interacționează cu gheața limpede, instrumentele IceCube au putut să estimeze energia și direcția de deplasare a neutrinilor. În ciuda acestor detectări, totuși, misterul a rămas în legătură cu faptul că orice fel de materie ar putea opri sau nu un neutrin în timp ce traversa spațiul. În conformitate cu modelul standard de fizică a particulelor, acest lucru ar trebui să se întâmple ocazional.
După ce a observat interacțiunile la IceCube timp de un an, echipa științifică a descoperit că neutrinii care trebuiau să călătorească cel mai îndepărtat pe Pământ aveau mai puțin șanse să ajungă la detector. După cum a explicat Doug Cowen, profesor de fizică și astronomie / astrofizică la Penn State, într-un comunicat de presă Penn State:
„Această realizare este importantă pentru că arată, pentru prima dată, că neutrinii cu foarte mare energie pot fi absorbiți de ceva - în acest caz, Pământul. Știam că neutrinii cu energie mai mică trec prin aproape orice, dar, deși ne-am fi așteptat ca neutrinii cu energie mai mare să fie diferiți, niciun experiment anterior nu a fost capabil să demonstreze convingător că neutrinii cu energie mai mare pot fi opriți de orice. "
Existența neutrinilor a fost propusă pentru prima dată în 1930 de către fizicianul teoretic Wolfgang Pauli, care a postulat existența lor ca o modalitate de a explica descompunerea beta în ceea ce privește conservarea legii energiei. Acestea sunt numite astfel, deoarece sunt neutre din punct de vedere electric și interacționează doar cu materia foarte slab - adică prin forța subatomică slabă și gravitația. Din această cauză, neutrinii trec prin materie normală în mod regulat.
În timp ce neutrinii sunt produși în mod regulat de stele și reactoare nucleare aici pe Pământ, primii neutrini s-au format în timpul Big Bang. Prin urmare, studiul interacțiunii lor cu materia normală ne poate spune multe despre cum a evoluat Universul de-a lungul a miliarde de ani. Mulți oameni de știință anticipează că studiul neutrinilor va indica existența unei noi fizici, care depășesc modelul standard.
Din această cauză, echipa științifică a fost oarecum surprinsă (și poate dezamăgită) de rezultatele obținute. După cum a explicat Francis Halzen - investigatorul principal pentru IceCube Neutrino Observatory și profesor de fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison -:
„Înțelegerea modului în care interacționează neutrinii este esențială pentru funcționarea IceCube. Speram desigur să apară ceva fizică nouă, dar, din păcate, descoperim că Modelul Standard, ca de obicei, rezistă testului.
În cea mai mare parte, neutrinii selectați pentru acest studiu au fost de peste un milion de ori mai energici decât cei produși de Soarele sau centralele noastre nucleare. Analiza a cuprins, de asemenea, unele care erau de natură astrofizică - adică produse dincolo de atmosfera Pământului - și ar fi putut fi accelerate spre Pământ prin găuri negre supermasive (SMBHs).
Darren Grant, profesor de fizică la Universitatea din Alberta, este, de asemenea, purtătorul de cuvânt al colaborării IceCube. După cum a indicat, acest ultim studiu de interacțiune deschide ușile pentru viitoarele cercetări cu neutrinele. „Neutrinii au o reputație bine câștigată de a ne surprinde prin comportamentul lor”, a spus el. „Este incredibil de interesant să vezi această primă măsurare și potențialul pe care îl are pentru testele de precizie viitoare.”
Acest studiu nu a furnizat doar prima măsurare a absorbției de neutrini a Pământului, ci oferă și oportunități cercetătorilor geofizici care speră să folosească neutrinii pentru a explora interiorul Pământului. Având în vedere că Pământul este capabil să oprească o parte din miliardele de particule cu energie mare care trec de rutină prin ea, oamenii de știință ar putea dezvolta o metodă pentru studierea nucleului interior și exterior al Pământului, punând restricții mai exacte asupra dimensiunilor și densităților lor.
De asemenea, arată că Observatorul IceCube este capabil să depășească scopul inițial, care a fost cercetarea fizicii particulelor și studiul neutrinilor. După cum arată acest ultim studiu, este capabil să contribuie și la cercetarea științelor planetare și la fizica nucleară. Fizicienii speră, de asemenea, să utilizeze matricea completă cu 86 de șiruri IceCube pentru a realiza o analiză de mai mulți ani, examinând game chiar mai mari de energii neutrinoase.
Așa cum a indicat James Whitmore - directorul programului în divizia de fizică a Fundației Naționale a Științei (NSF) (care oferă suport pentru IceCube) - acest lucru le-ar putea permite să caute cu adevărat fizica care depășește modelul standard.
„IceCube a fost construit pentru a explora frontierele fizicii și, în acest sens, pentru a contesta percepțiile existente despre natura universului. Această nouă descoperire și altele care vin încă sunt în acel spirit al descoperirii științifice. "
Încă de la descoperirea bosonului Higgs în 2012, fizicienii au fost siguri că călătoria lungă de confirmare a modelului standard era acum completă. De atunci, și-au așezat seturile mai departe, în speranța de a găsi o fizică nouă care ar putea rezolva unele dintre misterele mai profunde ale Universului - adică supersimetria, o Teorie a Totului (ToE) etc.
Aceasta, precum și studierea modului în care fizica funcționează la cele mai înalte niveluri de energie (similar cu cele care au existat în timpul Big Bang) este preocuparea actuală a fizicienilor. Dacă vor avea succes, am putea ajunge să înțelegem cum funcționează acest lucru masiv cunoscut sub numele de Univers.
