Detectarea IceCube a unei particule cu energie ridicată – Antineutrino „fără echivoc de origine extraterestră”

O vedere a evenimentului Glashow înregistrat de detectorul IceCube. Fiecare cerc de culoare arată un senzor IceCube care a fost activat de eveniment; cercurile roșii indică faptul că senzorii au fost activați mai devreme, iar cercurile verde-albastre indică faptul că senzorii au fost activați mai târziu. Acest eveniment a fost poreclit „Hortensia”. Credit: IceCube Collaboration

Detectorul de neutrini de la Polul Sud a văzut un eveniment de rezonanță Glashow, un fenomen prezis de fizicianul laureat al Premiului Nobel Sheldon Glashow în 1960, unde un antineutrino electronic și un electron interacționează pentru a produce un boson W.

La 6 decembrie 2016, o particulă cu energie ridicată numită electron antineutrino a fost lansată pe Pământ din spațiul cosmic în apropierea vitezei luminii care transportă 6,3 petaelectronvolți (PeV) de energie. În interiorul stratului de gheață al Polului Sud, acesta s-a prăbușit într-un electron și a produs o particulă care a decăzut rapid într-o ploaie de particule secundare. Interacțiunea a fost capturată de un telescop masiv îngropat în ghețarul Antarcticii, Observatorul Neutrino IceCube.

„Acum putem detecta evenimente individuale de neutrino, care sunt în mod inconfundabil de origine extraterestră.” – Christian Haack

IceCube a văzut un eveniment de rezonanță Glashow, un fenomen prezis de fizicianul laureat al Premiului Nobel Sheldon Glashow în 1960. Cu această detectare, oamenii de știință au oferit o confirmare suplimentară a modelului standard de fizică a particulelor. El a demonstrat, de asemenea, capacitatea IceCube, care detectează particule aproape fără masă numite neutrini folosind mii de senzori încorporați în gheața din Antarctica, de a face fizică fundamentală. Rezultatul a fost publicat astăzi (10 martie 2021) a Natură.

Sheldon Glashow a propus această rezonanță pentru prima dată în 1960, când era cercetător postdoctoral la actualul Institut Niels Bohr din Copenhaga, Danemarca. Acolo, el a scris un articol în care a prezis că un antineutrino (un gemeni al antimateriei unui neutrino) ar putea interacționa cu un electron pentru a produce o particulă nedescoperită, dacă antineutrino ar fi avut nu mai mult energia potrivită: printr-un proces cunoscut sub numele de rezonanță.

Când particula propusă, W bosonul, descoperit în cele din urmă în 1983, s-a dovedit a fi mult mai greu decât se așteptase Glashow și colegii săi în 1960. Rezonanța Glashow ar necesita un neutrin cu o energie de 6,3 PeV, de aproape 1.000 de ori mai energic decât ceea ce CERNLarge Hadron Collider este capabil să producă. De fapt, niciun accelerator de particule de pe Pământ, actual sau planificat, nu ar putea crea un neutrin cu atât de multă energie.

Schița Observatorului Neutrin IceCube

O schiță a porțiunii de gheață IceCube, care include 86 de șiruri care conțin 5.160 senzori de lumină dispuși într-o rețea hexagonală tridimensională. Credit: IceCube Collaboration

Dar ce zici de unul natural accelerator: în spațiu? Energiile enorme ale găurilor negre supermasive din centrul galaxiilor și ale altor evenimente cosmice extreme pot genera particule cu energii imposibil de creat pe Pământ. Acest fenomen a fost probabil responsabil pentru antineutrinul 6,3 PeV care a ajuns pe IceCube în 2016.

„Când Glashow era coleg postdoctoral la Niels Bohr, nu și-ar fi putut imagina niciodată că propunerea sa neconvențională de a produce W un boson ar fi făcut de un antineutrino dintr-o galaxie îndepărtată care s-ar prăbuși în gheața din Antarctica “, spune Francis Halzen, profesor de fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison, sediul și întreținerea IceCube și investigator principal al IceCube.

De când IceCube a devenit pe deplin operațional în mai 2011, observatorul a detectat sute de neutrini astrofizici cu energie ridicată și a produs o serie de rezultate semnificative în astrofizica particulelor, inclusiv descoperirea unui flux de neutrini astrofizici în 2013 și prima identificare a unei surse de neutrini astrofizici în 2018. Însă evenimentul de rezonanță al lui Glashow este deosebit de remarcabil datorită energiei sale remarcabil de mari; este doar al treilea eveniment detectat de IceCube cu o energie peste 5 PeV.

„Acest rezultat demonstrează viabilitatea astronomiei cu neutrini – și capacitatea IceCube de a face acest lucru – că va juca un rol important în fizica viitoare a astroparticulelor cu mai mulți mesageri”, spune Christian Haack, care a fost student absolvent la RWTH Aachen în timp ce lucra la această analiză. „Acum putem detecta evenimente individuale de neutrino, care sunt în mod inconfundabil de origine extraterestră.”

Călătorie antineutrială

Antineutrinul de electroni care a creat evenimentul de rezonanță Glashow a parcurs o distanță destul de mare înainte de a ajunge la IceCube. Acest grafic arată călătoria dvs.; linia punctată albastră este calea antineutrino. (Nu la scară.) Credit: IceCube Collaboration

Rezultatul deschide, de asemenea, un nou capitol în astronomia neutrino, deoarece începe să descurce neutrinii de antineutrini. „Măsurătorile anterioare nu au fost sensibile la diferența dintre neutrini și antineutrini, astfel încât acest rezultat este prima măsurare directă a unei componente antineutrino a fluxului de neutrini astrofizici”, spune Lu Lu, unul dintre principalii analiști din această lucrare. coleg postdoctoral la Universitatea Chiba din Japonia în timpul analizei.

„Există mai multe proprietăți ale surselor de neutrino astrofizice pe care nu le putem măsura, cum ar fi dimensiunea fizică a acceleratorului și intensitatea câmpului magnetic în regiunea de accelerație”, spune Tianlu Yuan, un om de știință asistent la Centrul de Astrofizică din Wisconsin. Particule IceCube. și un alt analizator principal. “Dacă putem determina relația neutrino-antineutrino, putem investiga direct aceste proprietăți.”

Pentru a confirma detectarea și a face o măsurare decisivă a relației neutrino-antineutrino, IceCube Collaboration dorește să vadă mai multe rezonanțe Glashow. O propunere de extindere pentru detectorul IceCube, IceCube-Gen2, ar permite oamenilor de știință să facă aceste măsurători într-un mod semnificativ statistic. Colaborarea a anunțat recent o actualizare a detectorului care va fi implementată în următorii câțiva ani, primul pas către IceCube-Gen2.

Glashow, acum profesor emerit de fizică la Universitatea din Boston, repetă necesitatea mai multor detecții ale evenimentelor de rezonanță Glashow. „Pentru a fi absolut siguri, ar trebui să vedem un alt eveniment de acest gen cu aceeași energie ca cea pe care am văzut-o”, spune el. „Până acum există una și într-o zi vor mai fi mai multe”.

Nu în ultimul rând, rezultatul demonstrează valoarea colaborării internaționale. IceCube este operat de peste 400 de oameni de știință, ingineri și personal din 53 de instituții din 12 țări, cunoscute împreună sub numele de IceCube Collaboration. Principalii analiști din această lucrare au lucrat împreună în Asia, America de Nord și Europa.

„Detectarea acestui eveniment este o altă„ primă ”demonstrație a capacității IceCube de a oferi rezultate unice și excepționale”, spune Olga Botner, profesor de fizică la Universitatea Uppsala din Suedia și fostă purtătoare de cuvânt a IceCube Collaboration.

„IceCube este un proiect minunat. În doar câțiva ani de funcționare, detectorul a descoperit ceea ce a fost finanțat pentru a descoperi: cei mai energici neutrini cosmici, sursa lor potențială în blazere și capacitatea lor de a ajuta în astrofizica multimessenger ”, spune Vladimir Papitashvili, oficial al programului Polar. Biroul de programe al Fundației Naționale pentru Știință, principalul finanțator al IceCube. James Whitmore, ofițer de programe pentru Divizia Fizică NSF, adaugă: „Acum, IceCube surprinde oamenii de știință cu o sursă bogată de comori noi pe care nici măcar teoreticienii nu se așteptau să le găsească atât de curând”.

Referință: „Detectarea unei ploi de particule la rezonanța Glashow cu IceCube” 10 martie 2021, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03256-1

IceCube Neutrino Observatory este finanțat în principal de National Science Foundation (OPP-1600823 și PHY-1913607) și are sediul la IceCube Particle Astrophysics Center din Wisconsin, un centru de cercetare UW-Madison din Statele Unite. Eforturile de cercetare ale IceCube, inclusiv contribuțiile critice la funcționarea detectorului, sunt finanțate de agenții din Australia, Belgia, Canada, Danemarca, Germania, Japonia, Noua Zeelandă, Republica Coreea, Suedia, Elveția și Regatul Unit. Statele Unite. Construcția IceCube a fost, de asemenea, finanțată cu contribuții semnificative din partea Fondului Național pentru Cercetare Științifică (FNRS & FWO) din Belgia; Ministerul Federal al Educației și Cercetării (BMBF) și Fundația Germană de Cercetare (DFG) din Germania; Fundația Knut și Alice Wallenberg, Secretariatul Polar de Cercetare Suedez și Consiliul Suedez de Cercetare din Suedia; și Universitatea din Wisconsin-Fondul de cercetare Madison din SUA

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.