Нейтрино — одни из самых распространенных в природе частиц. Их количество намного превышает количество атомов во всей Вселенной, но мы мало о них знаем. Нейтрино — это тип частиц, созданных в результате Большого взрыва, а также образующихся внутри Солнца и во время сильных событий, таких как сверхновые, когда взрываются звезды.
Нейтрино также называют «призрачными частицами», потому что они в основном не взаимодействуют с материей, а беспрепятственно проходят через все на своем пути.Инструменты на Южном полюсеИсследователи из 44 учреждений в 12 странах участвуют в международном проекте IceCube на Южном полюсе по изучению загадочных частиц со странными свойствами.
IceCube — это огромный детектор частиц, расположенный глубоко во льду на Южном полюсе. Инструменты в детекторе состоят из 86 кабелей, каждый с 60 цифровыми оптическими модулями (чрезвычайно чувствительными датчиками света). Каждый кабель опускается в яму, которая растапливается через 2½-километровый ледяной отбой с помощью бура для горячей воды. Детектор расположен глубоко под поверхностью — он начинается на 1½ км ниже льда и заканчивается на дне на глубине 2½ км.
Огромный размер детектора в кубический километр необходим, потому что нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, поэтому они редко сталкиваются с атомами во льду. Когда они наконец сталкиваются, создаются заряженные частицы, которые испускают излучение, которое может быть обнаружено чрезвычайно чувствительными цифровыми оптическими модулями.«В проекте Ice Cube мы зарегистрировали около 35 нейтрино, которые, скорее всего, пришли в далекие области космоса.
У них очень высокая энергия, и, поскольку они не взаимодействовали во время своего длительного путешествия, они могут нести информацию из самых отдаленных регионов. части Вселенной. Помимо редких космических нейтрино, мы также изучаем нейтрино, созданные в атмосфере Земли, чтобы раскрыть физические свойства нейтрино », — говорит Джейсон Коскинен, доцент и глава группы IceCube в Niels Институт Бора Копенгагенского университета.От Северного полюса до Южного полюса
Когда частицы (протоны) с высокой энергией — от сильных событий в космосе, таких как сверхновые звезды и квазары, попадают в атмосферу Земли, образуется вспышка нейтрино, которая проходит через Землю. Нейтрино, образовавшиеся над Северным полюсом, проходят прямо через Землю, и очень небольшая их часть попадает в лед на Южном полюсе, где детектор IceCube регистрирует столкновения.
Нейтрино — очень легкие частицы, и долгие годы считалось, что они совершенно безмассовые. Сейчас считается, что существует три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино), каждое со своей удельной массой, которая невероятно мала — менее одной миллионной массы электрона.
«Нейтрино, создаваемые в атмосфере над Северным полюсом, в основном являются мюонными нейтрино. На своем пути через 13 000 км Земли мюонные нейтрино претерпевают квантовые флуктуации, которые могут превратить их в нейтрино другого типа, тау-нейтрино, прежде чем они будут окончательно обнаружены с помощью IceCube на другой стороне земного шара. Теперь мы можем изучить эти эффекты гораздо более подробно, чем раньше, и таким образом мы можем по-новому взглянуть на их физические характеристики », — объясняет Джейсон Коскинен.
Атмосферные нейтриноИсследовательская группа в течение трех лет изучала атмосферные нейтрино с помощью детектора IceCube на Южном полюсе и проанализировала 5200 взаимодействий между атмосферными нейтрино и атомами во льду.«Мы подтвердили, что нейтрино подвержены колебаниям — даже на высоких уровнях энергии, и мы подсчитали, насколько они проявляют эти колебания. В этом исследовании мы измерили только мюонные нейтрино и по сравнению с тем, сколько мюонных нейтрино образуется в атмосфере и проходят через Землю, мы видим только часть на Южном полюсе.
Объяснение состоит в том, что мюонные нейтрино претерпевают квантовые флуктуации, которые превращают их в тау-нейтрино, и мы их не видим. Если бы они не изменились, мы бы увидели их все.
Наши расчеты показывают, что 20 процентов из них претерпели квантовые флуктуации и изменились с мюонных нейтрино на нейтрино другого типа при прохождении через Землю », — объясняет Джейсон Коскинен.Посланники вселенной
А что потом, спросите вы? «Потому что мы в основном хотим узнать больше об этих странных частицах, которые находятся повсюду во Вселенной и свойства которых мы до сих пор не полностью понимаем. Поскольку нейтрино приходят из космоса, мы могли бы использовать их для астрономических наблюдений и получить новое понимание структуры Вселенная ", — говорит Джейсон Коскинен.