IceCube-detektion af en højenergipartikel beviser 60-årig teori

Den 6. december, 2016, en højenergipartikel kaldet en elektron antineutrino skudt til jorden fra det ydre rum ved tæt på lysets hastighed, der bærer 6,3 petaelektronvolt (PeV) energi. Dybt inde i indlandsisen på Sydpolen, den smadrede ind i en elektron og frembragte en partikel, der hurtigt forfaldt til et brusebad af sekundære partikler. Interaktionen blev fanget af et massivt teleskop begravet i den antarktiske gletsjer, IceCube Neutrino -observatoriet.

IceCube havde set en Glashow resonanshændelse, et fænomen forudsagt af nobelpristagerens fysiker Sheldon Glashow i 1960. Med denne opdagelse, forskere gav endnu en bekræftelse af standardmodellen for partikelfysik. Det demonstrerede også yderligere IceCubes evne, som registrerer næsten masseløse partikler kaldet neutrinoer ved hjælp af tusindvis af sensorer indlejret i isen i Antarktis, at lave grundlæggende fysik. Resultatet blev offentliggjort den 10. marts i Natur .

Sheldon Glashow foreslog først denne resonans i 1960, da han var postdoktor ved det, der i dag er Niels Bohr Institutet i København, Danmark. Der, han skrev et papir, hvor han forudsagde, at en antineutrino (en neutrinos antimateriale tvilling) kunne interagere med en elektron for at producere en endnu uopdaget partikel-hvis antineutrino havde lige den rigtige energi - gennem en proces kendt som resonans.

Når den foreslåede partikel, W. ^- boson, blev endelig opdaget i 1983, det viste sig at være meget tungere end hvad Glashow og hans kolleger havde forventet tilbage i 1960. Glashow -resonansen ville kræve en neutrino med en energi på 6,3 PeV, næsten 1, 000 gange mere energisk end hvad CERNs Large Hadron Collider er i stand til at producere. Faktisk, ingen menneskeskabt partikelaccelerator på Jorden, aktuelt eller planlagt, kunne skabe en neutrino med så meget energi.

Men hvad med a naturlig accelerator - i rummet? De enorme energier af supermassive sorte huller i galaksernes centre og andre ekstreme kosmiske begivenheder kan generere partikler med energier, der er umulige at skabe på Jorden. Et sådant fænomen var sandsynligvis ansvarlig for den 6,3 PeV antineutrino, der nåede IceCube i 2016.

"Da Glashow var postdoc på Niels Bohr, han kunne aldrig have forestillet sig, at hans utraditionelle forslag om at producere W ^- boson ville blive realiseret af en antineutrino fra en fjern galakse, der styrtede ned i is i Antarktis, "siger Francis Halzen, professor i fysik ved University of Wisconsin-Madison, hovedsædet for vedligeholdelse og drift af IceCube, og hovedforsker ved IceCube.

Siden IceCube startede fuld drift i maj 2011, observatoriet har påvist hundredvis af astrofysiske neutrinoer med høj energi og har produceret en række betydelige resultater inden for partikelastrofysik, herunder opdagelsen af ​​en astrofysisk neutrinoflux i 2013 og den første identifikation af en kilde til astrofysiske neutrinoer i 2018. Men Glashow -resonanshændelsen er især bemærkelsesværdig på grund af dens bemærkelsesværdige høje energi; det er kun den tredje hændelse opdaget af IceCube med en energi større end 5 PeV.

"Dette resultat beviser gennemførligheden af ​​neutrino -astronomi - og IceCubes evne til at gøre det - som vil spille en vigtig rolle i fremtidens multimessenger -astropartikelfysik, siger Christian Haack, som var kandidatstuderende ved RWTH Aachen, mens han arbejdede med denne analyse. "Vi kan nu opdage individuelle neutrinohændelser, der umiskendeligt er af udenjordisk oprindelse."

Resultatet åbner også op for et nyt kapitel i neutrino -astronomi, fordi det begynder at adskille neutrinoer fra antineutrinoer. "Tidligere målinger har ikke været følsomme over for forskellen mellem neutrinoer og antineutrinoer, så dette resultat er den første direkte måling af en antineutrino -komponent i den astrofysiske neutrino -flux, "siger Lu Lu, en af ​​hovedanalysatorerne i dette papir, som var postdoc ved Chiba University i Japan under analysen.

"Der er en række egenskaber ved de astrofysiske neutrinoers kilder, som vi ikke kan måle, ligesom acceleratorens fysiske størrelse og magnetfeltstyrken i accelerationsområdet, "siger Tianlu Yuan, en assisterende videnskabsmand ved Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center og en anden hovedanalysator. "Hvis vi kan bestemme neutrino-til-antineutrino-forholdet, vi kan undersøge disse egenskaber direkte. "

For at bekræfte påvisningen og foretage en afgørende måling af neutrino-til-antineutrino-forholdet, IceCube Collaboration ønsker at se flere Glashow -resonanser. En foreslået udvidelse af IceCube -detektoren, IceCube-Gen2, ville sætte forskerne i stand til at foretage sådanne målinger på en statistisk signifikant måde. Samarbejdet annoncerede for nylig en opgradering af detektoren, der vil blive implementeret i løbet af de næste par år, det første skridt mod IceCube-Gen2.

Glashow, nu emeritus -professor i fysik ved Boston University, gentager behovet for flere opdagelser af Glashow -resonanshændelser. "For at være helt sikker, vi skulle se en anden sådan begivenhed med samme energi som den, der blev set, "siger han." Indtil videre er der en, og en dag vil der være mere. "

Sidst men ikke mindst, resultatet viser værdien af ​​internationalt samarbejde. IceCube drives af over 400 forskere, ingeniører, og personale fra 53 institutioner i 12 lande, sammen kendt som IceCube Collaboration. De vigtigste analysatorer på dette papir arbejdede sammen i hele Asien, Nordamerika, og Europa.

"Opdagelsen af ​​denne begivenhed er en anden 'første, 'demonstrerer endnu en gang IceCubes evne til at levere unikke og fremragende resultater, "siger Olga Botner, professor i fysik ved Uppsala universitet i Sverige og tidligere talsmand for IceCube Collaboration.

"IceCube er et vidunderligt projekt. På bare et par års drift har detektoren opdagede, hvad den var finansieret til at opdage - de kosmiske neutrinoer med den højeste energi, deres potentielle kilde i blazarer, og deres evne til at hjælpe med multimessenger astrofysik, "siger Vladimir Papitashvili, programofficer i Office of Polar Programs i National Science Foundation, IceCubes primære finansierer. James Whitmore, programofficer i NSF Division of Physics, tilføjer, "Nu, IceCube overrasker forskere med en rig mængde af nye skatte, som selv teoretikere ikke havde forventet at blive fundet så hurtigt. "