Sådan stopper Jorden neutrinoer med høj energi i deres spor

Neutrinoer er rigelige subatomære partikler, der er berømte for at passere alt og alt, kun meget sjældent interagere med stof. Omkring 100 billioner neutrinoer passerer gennem din krop hvert sekund. Nu, forskere har demonstreret, at Jorden stopper energiske neutrinoer - de går ikke igennem alt. Disse neutrino-interaktioner med høj energi blev set af IceCube-detektoren, en række på 5, 160 optiske sensorer i basketballstørrelse er dybt indkapslet inden for en kubik kilometer meget klar antarktisk is nær Sydpolen.

IceCubes sensorer observerer ikke neutrinoer direkte, men i stedet måle blink af blåt lys, kendt som Cherenkov -stråling, udsendt af muoner og andre hurtigt bevægelige ladede partikler, som skabes når neutrinoer interagerer med isen, og af de ladede partikler, der produceres, når muonerne interagerer, når de bevæger sig gennem isen. Ved at måle lysmønstrene fra disse interaktioner i eller i nærheden af ​​detektorarrayet, IceCube kan estimere neutrinoernes retninger og energier.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet 22. november Natur , blev ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley.

Spencer Klein, der leder Berkeley Labs IceCube -forskerhold, kommenterede "Denne analyse er vigtig, fordi den viser, at IceCube kan yde reelle bidrag til partikel- og atomfysik, ved energier, der er over nås af nuværende acceleratorer. "

Sandra Miarecki, som udførte en stor del af dataanalysen, mens hun arbejdede hen imod sin ph.d. som IceCube -forsker ved Berkeley Lab og UC Berkeley, sagde, "Det er en tværfaglig idé." Analysen krævede input fra geologer, der har skabt modeller af Jordens indre fra seismiske undersøgelser. Fysikere har brugt disse modeller til at forudsige, hvordan neutrinoer absorberes i Jorden.

"Du opretter 'foregive' muoner, der simulerer sensorernes respons, "Sagde Miarecki." Du skal simulere deres adfærd, der skal være en ismodel for at simulere isens adfærd, du skal også have kosmiske strålesimuleringer, og du skal simulere Jorden ved hjælp af ligninger. Så skal du forudsige, sandsynlighedsmæssigt, hvor ofte en bestemt muon ville komme gennem Jorden. "

Undersøgelsens resultater er baseret på et års data fra omkring 10, 800 neutrino-relaterede interaktioner, stammer fra en naturlig forsyning af meget energiske neutrinoer fra rummet, der går gennem en tyk og tæt absorber:Jorden. Neutrinoernes energi var kritisk for undersøgelsen, da neutrinoer med højere energi er mere tilbøjelige til at interagere med stof og blive absorberet af Jorden.

Forskere fandt ud af, at der var færre energiske neutrinoer, der gjorde det hele vejen gennem Jorden til IceCube -detektoren end fra mindre forhindrede stier, såsom dem, der kommer ind på næsten horisontale baner. Sandsynligheden for, at neutrinoer absorberes af Jorden, var i overensstemmelse med forventningerne fra standardmodellen for partikelfysik, som forskere bruger til at forklare de grundlæggende kræfter og partikler i universet. Denne sandsynlighed - at neutrinoer af en given energi vil interagere med stof - er det, fysikere omtaler som et "tværsnit".

"At forstå, hvordan neutrinoer interagerer, er nøglen til driften af ​​IceCube, "forklarede Francis Halzen, hovedforsker for IceCube Neutrino Observatory og en professor i fysik ved University of Wisconsin-Madison. Præcisionsmålinger ved HERA -acceleratoren i Hamborg, Tyskland, tillader os at beregne neutrinotværsnittet med stor nøjagtighed inden for standardmodellen - hvilket ville gælde for IceCube -neutrinoer med meget højere energier, hvis standardmodellen er gyldig ved disse energier. "Vi håbede naturligvis på, at der ville komme en ny fysik, men vi finder desværre, at standardmodellen, som sædvanligt, modstår testen, "tilføjer Halzen.

James Whitmore, programdirektør i National Science Foundations fysikafdeling, sagde, "IceCube blev bygget til både at udforske fysikkens grænser og, derved, muligvis udfordre eksisterende opfattelser af universets natur. Dette nye fund og andre, der endnu ikke er kommet, er i den ånd af videnskabelig opdagelse. "

Denne undersøgelse giver de første tværsnitsmålinger for et neutrinoenergiområde, der er op til 1, 000 gange højere end tidligere målinger ved partikelacceleratorer. De fleste af de neutrinoer, der blev udvalgt til denne undersøgelse, var mere end en million gange mere energiske end neutrinoerne produceret af mere velkendte kilder, som solen eller atomkraftværker. Forskere sørgede for at sikre, at målingerne ikke blev forvrænget af detektorproblemer eller andre usikkerheder.

"Neutrinoer har et ganske velfortjent ry for at overraske os med deres adfærd, "sagde Darren Grant, talsmand for IceCube Collaboration og en professor i fysik ved University of Alberta i Canada. "Det er utrolig spændende at se denne første måling og det potentiale, den rummer for fremtidige præcisionstests."

Ud over at levere den første måling af Jordens absorption af neutrinoer, analysen viser, at IceCubes videnskabelige rækkevidde strækker sig ud over dets kernefokus på partikelfysiske opdagelser og det nye felt neutrino -astronomi inden for planetarisk videnskab og atomfysik. Denne analyse vil også interessere geofysikere, der gerne vil bruge neutrinoer til at forestille sig Jordens indre, selvom dette vil kræve flere data, end der blev brugt i den aktuelle undersøgelse.

Til denne undersøgelse, IceCube -samarbejdet, som omfatter mere end 300 medlemmer fra 48 institutioner i 12 lande, udvidede sit forskningspartnerskab til at omfatte geologer i et endnu større tværfagligt team.

En dybere forståelse af, hvor ofte en neutrino vil komme gennem jorden for til sidst at interagere inden for IceCube -detektoren, kræver også detaljeret viden om de antarktiske isegenskaber, samspillet mellem kosmiske stråler og jordens atmosfære og hvordan neutrinoer interagerer med stof.

De neutrinoer, der blev brugt i denne analyse, blev for det meste produceret, når brint eller tungere kerner fra kosmiske stråler med høj energi, skabt uden for solsystemet, interageret med nitrogen- eller iltkerner i Jordens atmosfære. Dette skaber en kaskade af partikler, herunder flere typer af subatomære partikler, der henfalder, producerer neutrinoer. Disse partikler regner ned på jordoverfladen fra alle retninger.

Analysen omfattede også et lille antal astrofysiske neutrinoer, som produceres uden for Jordens atmosfære, fra kosmiske acceleratorer, der ikke er identificeret til dato, måske forbundet med supermassive sorte huller.

De neutrino-interaktionshændelser, der blev valgt til undersøgelsen, har energier på mindst en billion elektronvolt, eller en teraelektronvolt (TeV), nogenlunde kinetisk energi fra en flyvende myg. Ved denne energi, Jordens absorption af neutrinoer er relativt lille, og de laveste energinutrinoer i undersøgelsen tjente stort set som en absorptionsfri baseline. Analysen var følsom over for absorption i energiområdet fra 6,3 TeV til 980 TeV, begrænset i højenergien ved en mangel på tilstrækkeligt energiske neutrinoer.

Ved disse energier, hver enkelt proton eller neutron i en kerne virker uafhængigt, så absorptionen afhænger af antallet af protoner eller neutroner, som hver neutrino støder på. Jordens kerne er særlig tæt, så absorptionen er størst der. Til sammenligning, de mest energiske neutrinoer, der er blevet undersøgt ved menneskeskabte partikelacceleratorer, var ved energier under 0,4 TeV. Forskere har brugt disse acceleratorer til at sigte bjælker, der indeholder et enormt antal af disse lavere energin neutrinoer mod massive detektorer, men kun en meget lille brøkdel giver interaktioner.

IceCube -forskere brugte data indsamlet fra maj 2010 til maj 2011, fra en delvis matrix på 79 "strenge, "hver indeholdende 60 sensorer indlejret mere end en kilometer dybt i isen.

Gary Binder, en UC Berkeley -kandidatstuderende tilknyttet Berkeley Labs Nuclear Science Division, udviklet softwaren, der blev brugt til at passe IceCubes data til en model, der beskriver, hvordan neutrinoer formerer sig gennem Jorden.

Fra dette, softwaren bestemte det tværsnit, der bedst passede til dataene. University of Wisconsin - Madison -studerende Chris Weaver udviklede koden til valg af detekteringshændelser, som Miarecki brugte.

Simuleringer til støtte for analysen er blevet udført ved hjælp af supercomputere ved University of Wisconsin-Madison og på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Fysikere håber nu at kunne gentage undersøgelsen ved hjælp af en udvidet, flerårig analyse af data fra det fulde 86-strengede IceCube-array, som blev afsluttet i december 2010, og at se på højere områder af neutrinoenergier for enhver antydning af ny fysik ud over standardmodellen. IceCube har allerede opdaget flere neutroner med ultrahøj energi, i området for petaelektronvolt (PeV), som har en 1, 000 gange højere energi end dem, der detekteres i TeV-området.

Klein sagde, "Når vi kan reducere usikkerhederne og kan se på lidt højere energier, vi kan se på ting som atomvirkninger på jorden, og kollektive elektromagnetiske effekter. "

Binder tilføjet, "Vi kan også undersøge, hvor meget energi en neutrino overfører til en kerne, når den interagerer, giver os endnu en sonde af nuklear struktur og fysik ud over standardmodellen. "

Flere data vil både reducere usikkerheden og give neutrinoer ved endnu højere energier, åbner nye muligheder for at undersøge neutrinofysik ud over standardmodellen. Det vil også gøre det muligt for forskere at undersøge grænsen mellem Jordens indre faste kerne og dens flydende ydre kerne.

Et langsigtet mål er at bygge en større detektor, hvilket ville sætte forskere i stand til at studere neutrinoer med endnu højere energier. Den foreslåede IceCube-Gen2 ville være 10 gange større end IceCube. Dens større størrelse ville gøre detektoren i stand til at indsamle flere data fra neutrinoer ved meget høje energier.

Nogle forskere søger at bygge en endnu større detektor, 100 kubik kilometer eller mere, ved hjælp af en ny tilgang, der søger efter pulser fra radiobølger, der produceres, når neutrinoer med meget høj energi interagerer i isen. Målinger af neutrinoabsorption ved hjælp af en radiobaseret detektor kunne bruges til at søge efter nye fænomener, der går langt ud over fysikken, der er redegjort for i standardmodellen og kunne undersøge strukturen af ​​atomkerner mere detaljeret end andre eksperimenter.

Miarecki sagde, "Dette er ret spændende - jeg kunne ikke have tænkt på et mere interessant projekt."