An der Südpolstation Amundsen-Scott in der Antarktis befindet sich das IceCube Neutrino Observatory - eine Einrichtung zur Untersuchung von Elementarteilchen, die als Neutrino bekannt sind. Dieses Array besteht aus 5.160 sphärischen optischen Sensoren - Digital Optical Modules (DOMs) -, die in einem Kubikkilometer klarem Eis vergraben sind. Derzeit ist dieses Observatorium der größte Neutrino-Detektor der Welt und hat in den letzten sieben Jahren untersucht, wie sich diese Partikel verhalten und interagieren.
Die jüngste Studie, die von der IceCube-Kollaboration mit Unterstützung von Physikern der Pennsylvania State University veröffentlicht wurde, hat erstmals die Fähigkeit der Erde gemessen, Neutrinos zu blockieren. In Übereinstimmung mit dem Standardmodell der Teilchenphysik stellten sie fest, dass Billionen von Neutrinos zwar regelmäßig die Erde (und uns) passieren, einige jedoch gelegentlich davon gestoppt werden.
Die Studie mit dem Titel „Messung des Multi-TeV-Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitts mit IceCube mittels Erdabsorption“ wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur. Die Ergebnisse des Studienteams basierten auf der Beobachtung von 10.784 Wechselwirkungen energiereicher, sich nach oben bewegender Neutrinos, die im Laufe eines Jahres am Observatorium aufgezeichnet wurden.
Bereits 2013 wurden in Zusammenarbeit mit IceCube erste energiereiche Neutrinos nachgewiesen. Diese Neutrinos - von denen angenommen wurde, dass sie astrophysikalischen Ursprungs sind - lagen im Peta-Elektronen-Volt-Bereich, was sie zu den bisher entdeckten Neutrinos mit der höchsten Energie macht. IceCube sucht nach Anzeichen dieser Wechselwirkungen, indem es nach Cherenkov-Strahlung sucht, die erzeugt wird, nachdem sich schnell bewegende geladene Teilchen durch Wechselwirkung mit normaler Materie verlangsamt werden.
Durch den Nachweis von Neutrinos, die mit dem klaren Eis interagieren, konnten die IceCube-Instrumente die Energie und Fahrtrichtung der Neutrinos abschätzen. Trotz dieser Entdeckungen blieb jedoch das Rätsel, ob irgendeine Art von Materie ein Neutrino auf seiner Reise durch den Weltraum aufhalten könnte oder nicht. In Übereinstimmung mit dem Standardmodell der Teilchenphysik sollte dies gelegentlich passieren.
Nachdem das Wissenschaftsteam ein Jahr lang Wechselwirkungen bei IceCube beobachtet hatte, stellte es fest, dass die Neutrinos, die sich am weitesten durch die Erde bewegen mussten, mit geringerer Wahrscheinlichkeit den Detektor erreichen. Wie Doug Cowen, Professor für Physik und Astronomie / Astrophysik am Penn State, in einer Pressemitteilung des Penn State erklärte:
„Diese Leistung ist wichtig, weil sie zum ersten Mal zeigt, dass sehr energiereiche Neutrinos von etwas absorbiert werden können - in diesem Fall von der Erde. Wir wussten, dass Neutrinos mit niedrigerer Energie so gut wie alles passieren, aber obwohl wir erwartet hatten, dass Neutrinos mit höherer Energie anders sein würden, konnten keine früheren Experimente überzeugend nachweisen, dass Neutrinos mit höherer Energie durch irgendetwas gestoppt werden können. “
Die Existenz von Neutrinos wurde erstmals 1930 vom theoretischen Physiker Wolfgang Pauli vorgeschlagen, der ihre Existenz postulierte, um den Beta-Zerfall im Hinblick auf die Erhaltung des Energiegesetzes zu erklären. Sie werden so genannt, weil sie elektrisch neutral sind und nur sehr schwach mit Materie interagieren - d. H. Durch die schwache subatomare Kraft und Schwerkraft. Aus diesem Grund passieren Neutrinos regelmäßig normale Materie.
Während Neutrinos hier auf der Erde regelmäßig von Sternen und Kernreaktoren produziert werden, wurden die ersten Neutrinos während des Urknalls gebildet. Das Studium ihrer Wechselwirkung mit normaler Materie kann daher viel darüber aussagen, wie sich das Universum im Laufe von Milliarden von Jahren entwickelt hat. Viele Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Untersuchung von Neutrinos auf die Existenz neuer Physik hinweisen wird, die über das Standardmodell hinausgeht.
Aus diesem Grund war das Wissenschaftsteam mit ihren Ergebnissen etwas überrascht (und vielleicht enttäuscht). Wie Francis Halzen - der Hauptforscher des IceCube Neutrino Observatory und Professor für Physik an der Universität von Wisconsin-Madison - erklärte:
„Das Verständnis der Interaktion von Neutrinos ist der Schlüssel zum Betrieb von IceCube. Wir hatten natürlich gehofft, dass eine neue Physik auftaucht, aber wir stellen leider fest, dass das Standardmodell wie üblich dem Test standhält.
Die für diese Studie ausgewählten Neutrinos waren größtenteils mehr als eine Million Mal energiereicher als diejenigen, die von unseren Sonnen- oder Kernkraftwerken produziert werden. Die Analyse umfasste auch einige, die astrophysikalischer Natur waren - d. H. Außerhalb der Erdatmosphäre erzeugt wurden - und möglicherweise durch supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) zur Erde beschleunigt wurden.
Darren Grant, Professor für Physik an der University of Alberta, ist auch der Sprecher der IceCube Collaboration. Wie er angedeutet hat, öffnet diese neueste Interaktionsstudie Türen für die zukünftige Neutrinoforschung. "Neutrinos haben den wohlverdienten Ruf, uns mit ihrem Verhalten zu überraschen", sagte er. "Es ist unglaublich aufregend, diese erste Messung und das Potenzial für zukünftige Präzisionstests zu sehen."
Diese Studie lieferte nicht nur die erste Messung der Absorption von Neutrinos auf der Erde, sondern bietet auch Möglichkeiten für geophysikalische Forscher, die Neutrinos zur Erforschung des Erdinneren einsetzen möchten. Angesichts der Tatsache, dass die Erde in der Lage ist, einige der Milliarden energiereicher Partikel zu stoppen, die routinemäßig durch sie hindurchtreten, könnten Wissenschaftler eine Methode zur Untersuchung des inneren und äußeren Kerns der Erde entwickeln, um ihre Größe und Dichte genauer zu beschränken.
Es zeigt auch, dass das IceCube-Observatorium in der Lage ist, über seinen ursprünglichen Zweck hinauszugehen, nämlich die Teilchenphysikforschung und die Untersuchung von Neutrinos. Wie diese jüngste Studie deutlich zeigt, kann sie auch zur planetarwissenschaftlichen Forschung und zur Kernphysik beitragen. Die Physiker hoffen auch, mit dem vollständigen IceCube-Array mit 86 Saiten eine mehrjährige Analyse durchführen zu können, bei der noch höhere Bereiche der Neutrinoenergien untersucht werden.
Wie James Whitmore - der Programmdirektor der Physikabteilung der National Science Foundation (NSF) (die IceCube unterstützt) - angedeutet hat, könnte dies ihnen ermöglichen, wirklich nach Physik zu suchen, die über das Standardmodell hinausgeht.
„IceCube wurde entwickelt, um sowohl die Grenzen der Physik zu erkunden als auch möglicherweise bestehende Wahrnehmungen der Natur des Universums in Frage zu stellen. Diese neue Erkenntnis und andere, die noch kommen werden, sind im Geist der wissenschaftlichen Entdeckung. “
Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 wissen die Physiker, dass der lange Weg zur Bestätigung des Standardmodells nun abgeschlossen ist. Seitdem haben sie ihre Mengen weiter eingestellt, in der Hoffnung, neue Physik zu finden, die einige der tieferen Geheimnisse des Universums lösen könnte - d. H. Supersymmetrie, eine Theorie von allem (ToE) usw.
Dies und die Untersuchung der Funktionsweise der Physik auf den höchsten Energieniveaus (ähnlich denen, die während des Urknalls existierten) beschäftigen die Physiker derzeit. Wenn sie erfolgreich sind, werden wir vielleicht verstehen, wie dieses massive Ding, das als Universum bekannt ist, funktioniert.
