Теперь, в критическом измерении, которое может однажды помочь предсказать новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц — модели, которая пытается объяснить фундаментальные силы Вселенной — международная группа исследователей из нейтринной обсерватории IceCube показала, как возбужденные нейтрино можно остановить холодными, когда они проходят через Землю.О новом измерении сообщается в журнале Nature от IceCube Collaboration, международного консорциума ученых, использующих обсерваторию для исследования нейтрино и того, что оно может рассказать нам о материи и природе Вселенной.
Нейтрино — одни из самых распространенных частиц в космосе. Практически не обладая массой и зарядом, они редко взаимодействуют с веществом. Каждую секунду через наши тела проходят десятки триллионов нейтрино.
Однако время от времени нейтрино высоких энергий взаимодействуют с протонами или нейтронами и поглощаются. Теория предсказывает, что при высоких энергиях — более высоких, чем может генерировать любой ускоритель частиц на Земле — можно ожидать, что нейтрино будут взаимодействовать с веществом и поглощаться Землей, вместо того, чтобы продолжать движение по космосу.
«Мы всегда говорим, что никакая частица, кроме нейтрино, не может пройти через Землю», — объясняет Фрэнсис Халзен, профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон и главный исследователь IceCube. «Однако нейтрино имеет крошечную вероятность взаимодействия, и эта вероятность увеличивается с увеличением энергии».Эту вероятность, добавляет Хальзен, ученые называют нейтринным сечением.Новое измерение определяет сечение нейтрино с энергиями от 6,3 до 980 ТэВ, уровни энергии более чем на порядок выше, чем в предыдущих измерениях. (Один ТэВ или тераэлектронвольт — это энергия циркуляции протона в Тэватроне, ныне закрытом ускорителе частиц в Фермилабе, который когда-то перемещал протоны по четырехмильной окружности кольца ускорителя почти со скоростью света.) Самый энергичный. нейтрино, изученные до сих пор с наземных ускорителей, находятся на уровне энергии 0,4 ТэВ.Для улавливания нейтрино в процессе поглощения, когда они сталкиваются с другими частицами в природе, требуется массивный детектор, такой как поддерживаемая Национальным научным фондом обсерватория IceCube, массив из 5160 детекторов размером с баскетбольный мяч, встроенных в кубический километр кристально чистого льда на милю. под географическим Южным полюсом.
IceCube не видит нейтрино напрямую, но обнаруживает и записывает мимолетный всплеск черенковского излучения — полосу синего света — который возникает, когда случайное нейтрино врезается в другую частицу.Анализируя данные IceCube, собранные в период с мая 2010 по май 2011 года, коллаборация поместила 10 800 нейтринных взаимодействий под микроскоп, уделяя самое пристальное внимание наиболее энергичным нейтрино, которые проходят через Землю со всех сторон.
Нейтрино генерируются в различных явлениях, от Солнца и ядерных реакторов до скоплений галактик и атмосферы Земли, когда космические лучи взаимодействуют с азотом и кислородом.Новое исследование в основном рассматривало нейтрино, возникающие, когда космические лучи высокой энергии врезались в ядра азота или кислорода в атмосфере Земли. Эти столкновения создают каскад субатомных частиц, которые могут генерировать нейтрино. Образец также включал меньшее количество нейтрино, вероятно, созданных в еще не идентифицированных космических ускорителях, таких как черные дыры.
Команда IceCube обнаружила, что меньшее количество наиболее энергичных нейтрино попадает в детектор из северного полушария, где частицы должны будут пройти через всю Землю, включая плотное ядро нашей планеты, прежде чем достигнут датчиков IceCube. На менее загороженных, близких к горизонтальным траекториях было зарегистрировано больше нейтрино.Новое измерение IceCube соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц, которая является рабочей теорией, которая помогает объяснить фундаментальные силы, действующие во Вселенной, а также свойства и поведение семейства частиц, включая нейтрино, из которых состоит вся материя. .«В отсутствие новой физики Стандартная модель позволяет нам рассчитать нейтринно-протонное сечение при энергиях, исследованных IceCube», — отмечает Халзен. «То, что мы измеряем, согласуется — до сих пор — с тем, что ожидалось.
Мы, конечно, надеялись, что появится какая-то новая физика, но, к сожалению, мы обнаружили, что Стандартная модель, как обычно, выдерживает испытание».Однако, добавляет Халзен, преимуществом IceCube является его способность измерять нейтрино с наивысшей энергией, которые производятся в космических ускорителях — сверхмассивных черных дырах, неистовых сердцах галактик, образующих звезды, и скоплениях галактик, — которых нет на Земле. может совпадать.
Если, например, данные IceCube содержат доказательства наличия нейтрино с поперечными сечениями, превышающими то, что ученые рассчитали с использованием Стандартной модели, они могут вызвать новую физику, такую как компактные скрытые пространственные измерения.«Мой любимый пример (новой физики) — то, что в пространстве может быть более трех измерений, — говорит Халзен. «Вы можете расположить теорию так, чтобы мы не знали о дополнительных измерениях, но нейтрино 100 ТэВ были бы, и это заставило бы их поперечное сечение увеличиваться по сравнению с тем, что мы вычисляем в Стандартной модели».Новое исследование также предполагает, что детектор IceCube может расширить свои научные возможности за пределы области астрофизики до геонаук.
При больших размерах выборки геофизики могут использовать нейтрино для изображения недр Земли.Халзен говорит, что команда IceCube только начинает работать с накопленными за годы данными обсерватории в Антарктике. «У нас есть данные за более чем семь лет с готовым детектором, поэтому в будущем мы предоставим гораздо более точные измерения».