Vid Amundsen – Scott South Pole Station i Antarktis ligger IceCube Neutrino Observatory - en anläggning tillägnad studiet av elementära partiklar som kallas neutrino. Denna grupp består av 5,160 sfäriska optiska sensorer - Digital Optical Modules (DOMs) - begravda inom en kubik kilometer klar is. För närvarande är detta observatorium den största neutrino detektorn i världen och har tillbringat de senaste sju åren att studera hur dessa partiklar uppför sig och interagerar.
Den senaste studien som släpptes genom IceCube-samarbetet, med hjälp av fysiker från Pennsylvania State University, har uppmätt jordens förmåga att blockera neutrino för första gången. I överensstämmelse med standardmodellen för partikelfysik bestämde de att medan biljoner neutrinoer passerar genom jorden (och oss) regelbundet, en del ibland stoppas av den.
Studien, med titeln "Mätning av Multi-TeV Neutrino Interaction-tvärsnitt med IceCube med användning av jordabsorption", dykte nyligen upp i den vetenskapliga tidskriften Natur. Studieteamets resultat baserades på observation av 10 784 interaktioner gjorda av högenergi, uppåtgående rörelser, som registrerades under ett år vid observatoriet.
Redan 2013 gjordes de första upptäckterna av neutrinoer med hög energi genom IceCube-samarbetet. Dessa neutrinoer - som tros vara astrofysiska från sitt ursprung - fanns inom peta-elektron-spänningsområdet, vilket gjorde dem till den högsta energinutrino som hittills upptäckts. IceCube söker efter tecken på dessa interaktioner genom att leta efter Cherenkov-strålning, som produceras efter att snabbt rörliga laddade partiklar har bromsats ner genom att interagera med normal materia.
Genom att upptäcka neutrinoer som interagerar med den klara isen kunde IceCube-instrumenten uppskatta energin och riktningen för neutrinoerna. Trots dessa upptäckter förblev dock mysteriet om huruvida någon form av materia kunde stoppa en neutrino när den färdades genom rymden. I enlighet med standardmodellen för partikelfysik är detta något som bör hända vid ett tillfälle.
Efter att ha observerat interaktioner på IceCube i ett år, fann forskarteamet att neutrinoerna som var tvungna att resa längst genom Jorden var mindre benägna att nå detektorn. Som Doug Cowen, professor i fysik och astronomi / astrofysik vid Penn State, förklarade i ett Penn State pressmeddelande:
”Denna prestation är viktig eftersom den för första gången visar att neutrinoer med mycket hög energi kan absorberas av något - i detta fall jorden. Vi visste att neutrinoer med lägre energi passerar nästan vad som helst, men även om vi hade förväntat oss att neutrinoer med högre energi skulle vara annorlunda hade inga tidigare experiment kunnat visa övertygande att neutrinoer med högre energi kunde stoppas av någonting. "
Förekomsten av neutrinoer föreslogs först 1930 av teoretisk fysiker Wolfgang Pauli, som postulerade deras existens som ett sätt att förklara beta-förfall i termer av bevarande av energilag. De heter så att de är elektriskt neutrala och samverkar endast med materien mycket svagt - dvs genom den svaga subatomiska kraften och tyngdkraften. På grund av detta passerar neutrinoer genom normal materia regelbundet.
Medan neutrinoer produceras regelbundet av stjärnor och kärnreaktorer här på jorden, bildades de första neutrinoerna under Big Bang. Studien av deras interaktion med normal materia kan därför berätta mycket om hur universum utvecklats under miljarder år. Många forskare räknar med att studien av neutrinoer kommer att indikera förekomsten av ny fysik, sådana som går utöver standardmodellen.
På grund av detta blev vetenskapsteamet något förvånad (och kanske besviken) med sina resultat. Som Francis Halzen - den huvudsakliga utredaren för IceCube Neutrino Observatory och professor i fysik vid University of Wisconsin-Madison - förklarade:
”Att förstå hur neutrino interagerar är nyckeln till att IceCube fungerar. Vi hoppades naturligtvis att det skulle komma ny fysik, men tyvärr tycker vi att Standardmodellen, som vanligt, tål testet.
För det mesta var neutrinoerna som valts ut för denna studie mer än en miljon gånger mer energiska än de som produceras av våra sol- eller kärnkraftverk. Analysen inkluderade också några som var astrofysiska till sin natur - dvs producerade utanför jordens atmosfär - och kan ha accelererats mot jorden av supermassiva svarta hål (SMBH).
Darren Grant, professor i fysik vid University of Alberta, är också talesman för IceCube Collaboration. Som han antydde öppnar denna senaste interaktionsstudie dörrar för framtida neutrino-forskning. "Neutrino har ett välförtjänt rykte för att överraska oss med deras beteende," sade han. "Det är oerhört spännande att se denna första mätning och potentialen för framtida precisionstester."
Denna studie gav inte bara den första mätningen av jordens absorption av neutrino, den erbjuder också möjligheter för geofysiska forskare som hoppas kunna använda neutrino för att utforska jordens inre. Med tanke på att jorden kan stoppa några av de miljarder partiklarna med högenergi som rutinmässigt passerar genom den, kan forskare utveckla en metod för att studera jordens inre och yttre kärna och placera mer exakta begränsningar för deras storlek och densitet.
Det visar också att IceCube-observatoriet kan nå utöver sitt ursprungliga syfte, som var partikelfysikforskning och undersökning av neutrino. Som den senaste studien tydligt visar, kan den också bidra till planetvetenskaplig forskning och kärnfysik. Fysiker hoppas också att använda den fulla 86-strängade IceCube-arrayen för att genomföra en flerårig analys, där man undersöker ännu högre intervall av neutrinoenergier.
Som James Whitmore - programdirektören i National Science Foundation (NSF) fysikdivision (som ger stöd för IceCube) - indikerade, kan detta göra det möjligt för dem att verkligen söka efter fysik som går utöver standardmodellen.
IceCube byggdes för att både utforska fysikens gränser och därigenom utmana befintliga uppfattningar om universumets natur. Denna nya upptäckt och andra som kommer ännu är i den andan av vetenskaplig upptäckt. ”
Helt sedan upptäckten av Higgs-bosonen 2012 har fysiker varit säkra i kunskapen om att den långa resan för att bekräfta standardmodellen nu var klar. Sedan dess har de satt sina satser längre, i hopp om att hitta ny fysik som kan lösa några av de djupare mysterierna i universum - dvs supersymmetri, en teori om allt (ToE), etc.
Detta, liksom att studera hur fysik arbetar på de högsta energinivåerna (liknande de som fanns under Big Bang) är fysikernas nuvarande upptaget. Om de är framgångsrika, kanske vi bara förstår hur denna enorma sak som kallas universum fungerar.
