Вперше вчені виміряли здатність Землі поглинати нейтрино

Розрив космічного льоду

Нейтрино - це нескінченно малі і майже безмасові частки, які навколо нас в будь-який даний момент. Приблизно один трильйон нейтрино від Сонця проходить через очі людини кожну секунду, але оскільки вони так рідко взаємодіють з чим-небудь, спостереження за ними надзвичайно складно, незважаючи на їх повсюдність. Тепер вчені з Лабораторії Лабораторії Лоуренса Берклі з Лабораторії Берклі (Berkeley Lab) і UC Berkeley використовували дані, зібрані з масиву IceCube в Антарктиді, щоб показати, що сама Земля може поглинати нейтрино.

Їх дослідження було опубліковано в журналі Nature.

Масив IceCube складається з 5 Пробіг: 160 оптичних датчиків розміру баскетболу, занурених в 1,6 км (1 миля) в кубічний кілометр (0,23 кубічних миль) виключно чистого льоду поблизу Південного полюса. Масив похований глибоко в Антарктиці, так що оптичні датчики випадково не забирають радіопередачі, стільникові телефони, які в результаті відображають велику частину земної поверхні небажаним шумом.

Коли водень або важчі ядра, що відбуваються з космічних променів високих енергій за межами Сонячної системи, взаємодіють з ядрами кисню в атмосфері нашої планети, взаємодія створює безліч частинок. Деякі з цих частинок розпадаються на нейтрино, які опускаються на поверхню Землі з усіх боків. Ці нейтрино можуть бути побічно виявлені при проходженні через Землю і «освітленні» детекторів IceCube на зворотному шляху в космічний простір.

Використовуючи дані цих детекторів, дослідники змогли зробити висновок про те, що менша кількість енергетичних нейтрино дійшло до детекторів від напрямків, більш ускладнених земної масою, ніж від менш ускладнених кутів. Це означало, що сама Земля могла поглинати нейтрино таким чином, щоб виміряти.

«Поглинання нейтрино було помічено, але ніколи не було виміряно раніше», - сказав футуризму Санді Міарекі, доцент фізики в Академії ВПС США в Колорадо, який провів більшу частину аналізу даних для дослідження. «Ми виміряли нейтрино через перетин з енергіями, що перевищують те, що можна знайти в прискорювачі [наприклад, CERN]».

Дійсно, в цьому дослідженні були проведені вимірювання для нейтрино з енергією до 1000 разів вище, ніж у людських прискорювачів частинок. Аналізовані нейтринні взаємодії мають енергію в діапазоні трлн-електрон-вольт або ТеВ. Москіт видає близько одного ТеВ. Виявлена ​​енергія нейтрино коливалася від 6,3 ТеВ до 980 ТеВ.

Як зазначив Міарецкій в прес-релізі, це дослідження здатності Землі поглинати нейтрино було багатопрофільним. Щоб зрозуміти, чи відповідає перетин нейтрино узгодженим прогнозами Стандартної моделі, аналітики використовували дані геологів, які поставляли моделі інтер'єру Землі з сейсмічних досліджень. При цьому вони змогли порівняти свої дані з імітацією нейтрино, що проходить через Землю.

«Ми створили деякі дані з сейсмічних даних, відскакує від різних частин Землі», - сказав Міарецкій футуризму. «З'єднайте всі обмеження, включаючи гравітаційне звуження Землі, і у вас хороша модель».

Нейтринна астрономія

У той час як цього дослідження було достатньо, щоб підтвердити моделювання стандартної моделі Землі, яка взаємодіє з нейтрино високих енергій, команда прагне продовжити своє дослідження.

«Проблема при пошуку нейтрино більш високих енергій полягає в тому, що вам потрібно щось досить сильне, щоб прискорити ці речі до неймовірної швидкості, з якою вони йдуть, наприклад, надмасивні чорні діри або стикаються квазари», - сказав Міарецкій . «Традиційна наднова не може пояснити надвисокі енергії, які ми спостерігаємо в цих частках».

Незважаючи на те, що не було встановлено жодних доказів існування екзотичних частинок, які підтвердили б область квантової фізики за межами Стандартної моделі, це дослідження відкрило нові можливості для зародження науки про нейтринної астрономії - дослідженні нейтрино, народженого додатковими -солярние явища, такі як злиття чорних дір або надмасивні чорні діри.

«IceCube спочатку був побудований, щоб пробурити досить екзотичних частинок, щоб сформувати нову модель, але це головоломка, тому що ми ще не бачили досить в послідовній позиції», - сказав Міарецкій. «Одного разу ми побачимо екзотичну [надвисоку енергію нейтрино] частинок там, на наступний день тут - так що ми шукаємо феномен того, що відбувається в космосі, який забезпечує« a-ha », причину для картини, яку ми см.« Але поки не пощастило.

У цьому дослідженні дослідники вимірювали потік мюонних нейтрино в залежності від їх енергії і напрямки їх надходження. Нейтрино з більш високими енергіями і з вхідними напрямками ближче до Північного полюса з більшою ймовірністю будуть взаємодіяти з речовиною на своєму шляху через Землю. Зображення: IceCube Collaboration

Miarecki зазначив, що обмежений час роботи команди з суперкомп'ютерами, необхідними для дослідження того, як Земля може поглинати нейтрино, також є фактором.

«Ми обмежені обсягом комп'ютерного часу, доступного для проведення наших симуляцій», - сказала вона. «Ми робимо все можливе, поки у нас є час через безліч різних потреб в комп'ютерному часу.

Це може змінитися щодо скоро.

«Я вважаю, що квантові обчислення значно прискорили б обчислення - будь-яке збільшення швидкості обчислювальної швидкості дозволило б нам мати більше симуляцій, тому що більше обчислень означає меншу невизначеність в тому, що ми очікуємо від моделі, яку ми порівнюємо з нашими реальними результатами", сказав Miarecki.

Хоча результати цього дослідження чудові, вони можуть виявитися просто початком.

IceCube-Gen2 в даний час чекає остаточного схвалення для фінансування з Національного наукового фонду, згідно Miarecki. Цей масив мав би чудовий енергетичний діапазон, який дослідники могли б використовувати, щоб зібрати ще більше даних про те, як Земля може поглинати нейтрино. Крім того, абсолютно нова форма виявлення, заснована на радіохвилях, може виявитися ще більш ефективною, ніж оптична система IceCube.

«Ми могли б використовувати металеві антени, зариті в тонкому льоду поверх останньої полиці льоду, щоб шукати радіохвилі, підстрибують або відбиваються між шарами льоду і води, а потім назад до антен», - сказав Міарекі. «Тоді ми могли б тріангуліровать напрямок і швидкість взаємодії нейтрино. Кількість виявлених радіохвиль повідомить вам, які нейтрино виявлені.

Це дійсно захоплююче час для астрофізики і астрономії. Майже кожне нове відкриття має наслідки для безлічі дисциплін, і разом вони підштовхують нас до фундаментального прориву в нашому розумінні фізичної всесвіту.

Література: Лабораторія Берклі, Природа