Свидетельства важны, потому что они провозглашают новую форму астрономии, использующую нейтрино, почти безмассовые частицы высокой энергии, генерируемые в ускорителях природы: черные дыры, массивные взрывающиеся звезды и энергетические ядра галактик. В новом исследовании обнаружение 21 мюона сверхвысоких энергий — вторичных частиц, возникающих в очень редких случаях, когда нейтрино взаимодействуют с другими частицами — обеспечивает независимое подтверждение астрофизических нейтрино из нашей Галактики, а также космических нейтрино из источников за пределами Земли.
Млечный Путь.О наблюдениях было сообщено сегодня (20 августа 2015 г.) в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters компанией IceCube Collaboration, в которой данные были названы «однозначным сигналом» для астрофизических нейтрино, частиц сверхвысоких энергий, беспрепятственно пересекших космос. звездами, планетами, галактиками, магнитными полями или облаками межзвездной пыли — явлениями, которые при очень высоких энергиях значительно ослабляют более земные частицы, такие как фотоны.
Поскольку нейтрино почти не имеют массы и электрического заряда, их очень трудно обнаружить, и они наблюдаются только косвенно, когда они сталкиваются с другими частицами с образованием мюонов, контрольных вторичных частиц. Более того, в различных астрофизических процессах образуются разные виды нейтрино. IceCube Collaboration, большой международный консорциум со штаб-квартирой в Университете Висконсин-Мэдисон, взял на себя огромную задачу по просеиванию большого количества наблюдений, чтобы идентифицировать, возможно, несколько десятков нейтрино самых высоких энергий, которые прибыли из источников в Млечном Пути. Путь и за пределы нашей галактики.
Ученые считают, что эти высокоэнергетические нейтрино создаются глубоко внутри некоторых из самых жестоких явлений во Вселенной. Частицы, созданные в этих событиях, включая нейтрино и космические лучи, ускоряются до уровней энергии, превышающих рекордные земные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер (LHC), более чем в миллион раз. Их ценят астрофизики, потому что информация, которую они хранят, является нетронутой, неизменной, поскольку частицы проходят миллионы световых лет между своими источниками и Землей. Возможность изучать нейтрино самых высоких энергий обещает понимание множества проблем в физике, включая то, как природа строит мощные и эффективные ускорители частиц во Вселенной.
Последние наблюдения были сделаны путем наведения обсерватории Ice Cube — состоящей из тысяч оптических датчиков, погруженных глубоко под антарктический лед на Южном полюсе — через Землю для наблюдения за небом в Северном полушарии. Земля служит фильтром, помогающим отсеять запутанный фон из мюонов, возникающих при столкновении космических лучей с атмосферой Земли.
«Поиск мюонных нейтрино, достигающих детектора через Землю, — это способ, которым IceCube должен был заниматься нейтринной астрономией, и он его выполнил», — объясняет Фрэнсис Халзен, профессор физики из Университета штата Мэдисон и главный исследователь IceCube. «Это настолько близко к независимому подтверждению, которое можно получить с помощью уникального инструмента».С мая 2010 года по май 2012 года IceCube зарегистрировал более 35 000 нейтрино. Однако только около 20 из этих нейтринных событий были зарегистрированы на уровнях энергии, указывающих на астрофизические или космические источники.
Результаты значимы, потому что, используя другую технику, они подтверждают способность Обсерватории IceCube отбирать призрачные нейтрино. Измеряя кубический километр глубокого антарктического льда, ученые смогли сделать детектор достаточно большим, чтобы уловить след редкого столкновения нейтрино.
Когда происходит это редкое столкновение, он создает мюон, который, в свою очередь, оставляет след черенковского света, который точно отражает траекторию нейтрино. «Оптические звуковые удары», возникающие при столкновении нейтрино с другой частицей, воспринимаются оптическими датчиками, составляющими матрицу детекторов IceCube, и теоретически могут использоваться, чтобы указать на источник.«Это прекрасное подтверждение недавних открытий IceCube, открывающих двери в новую эру в физике элементарных частиц», — говорит Владимир Папиташвили, директор программы по астрофизике и геокосмическим наукам в отделе полярных программ Национального научного фонда (NSF). «И это стало возможным только благодаря исключительным качествам антарктического льда и способности NSF успешно решать огромные научные и логистические проблемы в самых суровых местах на Земле».
Но хотя новые наблюдения подтверждают существование астрофизических нейтрино и средств их обнаружения с помощью обсерватории IceCube, фактические точечные источники нейтрино высоких энергий еще предстоит идентифицировать.Альбрехт Карле, профессор физики из Университета штата Мэдисон и старший автор отчета Physical Review Letters, отмечает, что, хотя нейтринно-индуцированные треки, зарегистрированные детектором IceCube, имеют хорошее разрешение наведения, в пределах менее градуса, команда IceCube имеет не наблюдается значительного количества нейтрино, исходящих от какого-либо одного источника.Однако нейтрино, наблюдаемые в ходе последнего поиска, имеют уровни энергии, идентичные тем, которые наблюдались, когда обсерватория производила пробы неба в Южном полушарии. Это, по словам Карла, предполагает, что многие из потенциальных источников нейтрино самых высоких энергий генерируются за пределами Млечного Пути.
Он отмечает, что если бы в нашей галактике было значительное количество источников, детектор IceCube загорался бы при наблюдении плоскости нашей галактики — области, где, вероятно, было бы обнаружено большинство источников, генерирующих нейтрино.«Плоскость галактики — это то место, где находятся звезды. Это место, где космические лучи ускоряются, поэтому вы ожидаете увидеть там больше источников. Но нейтрино с самой высокой энергией, которые мы наблюдали, исходят со случайных направлений», — говорит Карл, чей бывший аспирант Крис Уивер является автором-корреспондентом нового исследования. «Это убедительное подтверждение того, что открытие космических нейтрино из-за пределов нашей галактики реально».
IceCube базируется в Висконсинском центре астрофизики частиц IceCube (WIPAC) в UW-Madison. Обсерватория была построена при серьезной поддержке Национального научного фонда, а также при поддержке партнерских финансовых агентств по всему миру.
В проекте задействовано более 300 физиков и инженеров из США, Германии, Швеции, Бельгии, Швейцарии, Японии, Канады, Новой Зеландии, Австралии, Великобритании, Кореи и Дании.