Detektor na biegunie uchwycił siedem „cząstek-duchów”

Prawdopodobnie znajdujący się na południowym biegunie detektor IceCube zaobserwował siedem bardzo rzadkich neutrin taonowych. Ten rodzaj neutrin pochodzących z krańców kosmosu może dostarczyć nam wielu cennych informacji o Wszechświecie.

Podobno kiedyś Wolfgang Paul w 1930 roku powiedział- Zrobiłem straszną rzecz: zaproponowałem istnienie cząstki, której nie da się wykryć. W taki oto sposób utalentowany fizyk skomentował jeden ze swoich najlepszych pomysłów. Była nim koncepcja cząstek, które nazwano neutrinami. Miały być one pozbawione ładunku elektrycznego i nie oddziaływać z materią.

Okazało się, że Paul się pomylił, ponieważ neutrina da się wykryć. Tylko że dokonanie tego nie jest łatwe. Do tego odkrycia potrzebny jest detektor budowlany, który zostanie umieszczony odpowiednio daleko od otoczenia. Jednym z nich jest IceCube będący ośrodkiem naukowym znajdującym się na biegunie południowym.

IceCube z sukcesem rejestruje neutrina od 2013 roku. Inne detektory zarejestrowały je już wiele lat temu. Jednak w przypadku neutrin – i wielu innych cząstek – diabeł tkwi w szczegółach. Zbudowane przez nas detektory wykrywają najpospolitszy rodzaj neutrin: neutrina elektronowe.

Przynajmniej tak było do tej pory. Detektor IceCube pomógł badaczom odkryć siedmiu kandydatów na nieuchwytne neutrino taonowe.

Czym jest neutrino?

Neutrino pochodzi z różnych źródeł takich jak: dyski galaktyczne, gwiazdy, blazary, a także z atmosfery ziemskiej. W naszej atmosferze pojawiają się wtedy, gdy promieniowanie kosmiczne zderza się z cząsteczkami atmosfery.

Okazuje się, że jest ich bardzo dużo. W każdej sekundzie przez naszą Ziemię przelatuje sto bilionów neutrin. Co sekundę także przez centymetr kwadratowy naszej planety przedostaje się sześćdziesiąt miliardów neutrin. Co ciekawe to przenikanie nie uszkadza Ziemi, nie czyni też krzywdy istotom żywym mieszkającym na naszej planecie.

Choć późniejsze ustalenia wykazały, że neutrino posiada materię, to nie jest ona zbyt duża. Przez swoją drobną wielkość nie oddziałuje on więc z materią.

Czasami dochodzi do ich zderzenia, jednak jest to niezwykle rzadkie.  Gdyby każdy z nas był detektorem neutrin wielkości człowieka, musielibyśmy czekać 100 lat, żeby zarejestrować jedno neutrino. Z tego powodu neutrina zyskały przydomek cząstek-duchów. 

Jak można zarejestrować neutrino?

Detektor IceCube składa się z ponad 5 tysięcy tzw. DOM-ów (ang. digital optical module). Są to czujniki światła, które umieszczono w specjalnych otworach wydrążonych w lodzie. Gdy raz na jakiś czas neutrina zderzy się z cząstkami zamarzniętej wody, dojdzie do występowania rozbłysków wychwytywanych przez DOM-y, które z kolei układają się w określony wzór lub kaskady. W czasie ich badania można dowiedzieć się znaczenie więcej o wywołujących je neutrinach.

Istnieją trzy rodzaje neutrin, które odpowiednio nazywa się zapachami. Co prawda nie mają one jednak nic wspólnego z woniami wytwarzanymi przez różne substancje. Poza neutrinami elektronowymi, fizycy wyróżniają też neutrina mionowe i neutrina taonowe. Naukowców szczególnie interesują wysokoenergetyczne neutrina pochodzące z dalekiego kosmosu, najtrudniejsze do wykrycia.

Zespół prof. Douga Cowena z Penn State University ogłosił niedawno, że ich zespół znalazł siedmiu potencjalnych kandydatów na „astrofizyczne” neutrina taonowe. Jest to najrzadszy rodzaj neutrin. Gdyby tego było mało, powstały one w najdalszych rejonach Drogi Mlecznej. To odkrycie wymagało dokładnego przeanalizowania zebranych danych między 2011 a 2020 rokiem. Do badań wykorzystali sieć neutronową. Sprawdzała ona obrazy rejestrowane przez IceCube, które mogły świadczyć o pojawieniu się w detektorze neutrin taonowych.

Poszukiwanie innej fizyki, dzięki detektorowi

Naukowcy uważają, iż odnalezienie neutrin taonowych da możliwość zbadania zjawiska, które nazywane jest oscylacją neutrin. Tak nazywana jest niezwykła zdolność tych cząstek do zmiany swojej formy w trakcie odbywania podróży przez kosmos. Lecące po Wszechświecie neutrina elektronowe mogą przemienić się w mionowe lub taonowe. Ta koncepcja tłumaczy, dlaczego na naszej planecie zostaje zarejestrowanych znacznie mniej neutrin niż według obliczeń, które wykazują, ile powinno ich napływać do wnętrza Ziemi z przestrzeni kosmicznej. Dzieje się tak, ponieważ zwykle wykrywamy tylko neutrina elektronowe, reszta gdzieś nam umyka.

Naukowcy oczywiście chcą odkryć znacznie więcej. To wielkie dokonanie wiąże się z dużą możliwością wykorzystania neutrin taonowych do odkrycia nowej fizyki– komentuje Doug Cowen.

Pościg za neutrinami taonowymi został opisany w pracy przyjętej do publikacji w czasopiśmie „Physical Review Letters”. Na razie została ona umieszczona w serwisie preprintów naukowych arXiv.org. 

Ciekawe, czego jeszcze dokonają naukowcy w związku z neutrinami. Miejmy nadzieję, że nowe odkrycia nastąpią w niedalekiej przyszłości. Być może dowiemy się, że prawa fizyki, jakie znamy nie są jedynymi lub, że te, które znamy są nie do końca właściwe. Bez względu na to, jakich odkryć dokonają i do jakich dojdą wniosków, te dane będą cennym źródłem wiedzy fizycznej i być może w przyszłości posłużą do stworzenia niesamowitych rozwiązań i wynalazków.

Patrycja Żero

Fot. IceCube/NSF

Zostaw komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *