Teorie a fizicii de 60 de ani dovedită prin detectarea IceCube a unei particule cu energie ridicată

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

Pe 6 decembrie 2016, o particulă de mare energie a fost lansată pe Pământ din spațiul cosmic, în apropierea vitezei luminii. Particula, un electron antineutrino, s-a prăbușit într-un electron adânc în stratul de gheață al Polului Sud. Această coliziune a produs o particulă care s-a descompus rapid într-o ploaie de particule secundare, declanșând senzori de la Observatorul Neutrin IceCube, un telescop masiv îngropat în ghețarul Antarcticii.

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 la 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, geamănul antimateriei unui neutrino, ar putea interacționa cu un electron pentru a produce o particulă nedescoperită printr-un proces cunoscut sub numele de rezonanță. Cheia era că antineutrinul trebuia să aibă energie precisă pentru a produce acea rezonanță.

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

Când particula propusă, bosonul W-minus, a fost descoperită în sfârșit în 1983, s-a dovedit a fi mult mai grea decât se așteptase Glashow și colegii săi în 1960. Rezonanța Glashow ar necesita un neutrin cu o energie de 6, 3 petaelectronvolți, aproape De 1.000 de ori mai energic decât ce CERNLarge Hadron Collider este capabil să producă. Niciun accelerator de particule creat de om pe Pământ, actual sau planificat, nu poate crea un neutrin cu atât de multă energie.

Cu toate acestea, 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 care a lovit IceCube în 2016, care a zdrobit Pământul cu o energie de 6,3 PeV, exact așa cum a prezis teoria Glashow.

„Când Glashow era postdoctoral la Niels Bohr, el nu și-ar fi putut imagina niciodată că propunerea sa neconvențională de a produce bosonul W-minus va fi făcută de un antineutrian dintr-o galaxie îndepărtată care s-ar prăbuși în gheața Antarcticii”, spune Francis Halzen, investigatorul principal al Cub de gheata. și profesor de fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison, sediul întreținerii și operațiunilor IceCube.

IceCube Neutrino Eveniment: Hortensie

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

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. Evenimentul de rezonanță Glashow se remarcă prin energia sa ridicată. Este doar al treilea eveniment detectat de IceCube cu o energie peste 5 PeV.

Acest rezultat a fost un efort de colaborare realizat de o echipă de trei oameni de știință: Lu Lu de la Universitatea Chiba din Japonia, acum la UW-Madison, Tianlu Yuan de la UW-Madison și Christian Haack de la Universitatea RWTH din Aachen, acum către YOU Munich.

Detectarea rezonanței Glashow este primul neutrino individual dovedit a fi de origine astrofizică. De asemenea, demonstrează contribuțiile unice ale IceCube la astrofizica multi-messenger, care folosește lumină, particule și valuri gravitationale pentru a studia cosmosul. 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, deci acest rezultat este prima măsurare directă a unei componente antineutrino a fluxului de neutrini astrofizici”, spune Lu, unul dintre principalii analiști din această lucrare.

“Există o serie de proprietăți ale surselor de neutrini astrofizici pe care nu le putem măsura, precum dimensiunea fizică a acceleratorului și intensitatea câmpului magnetic în regiunea de accelerație”, spune Yuan, un om de știință asistent la Centrul pentru Accelerare. Wisconsin Astrofizica particulelor IceCube și un alt analizator principal. “Dacă putem determina relația neutrino-antineutrino, putem investiga direct aceste proprietăți.”

Rezultatul demonstrează, de asemenea, 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.

Pentru a confirma detectarea și a face o măsurare decisivă a relației neutrino-antineutrino, IceCube Collaboration vrea 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 sale de rezonanță omonime.

„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”.

Citiți IceCube Detection of a High-Energy Particle pentru mai multe informații despre această cercetare.

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

Această lucrare a fost susținută parțial de Fundația Națională pentru Științe (subvenții OPP-1600823 și PHY-191360).

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.