Každou sekundu projde lidským tělem 100 bilionů neutrin. Tyto drobné, téměř nehmotné
Neutrina jsou obecný název pro neutrálnífundamentální částice s polocelým spinem, účastnící se pouze slabých a gravitačních interakcí a patřící do třídy leptonů. V současnosti jsou známy tři typy neutrin: elektronová, mionová a tau neutrina a také jejich odpovídající antičástice.
Neutrina vznikají v mnoha procesech, např.při termonukleárních reakcích v nitru hvězd a při explozích supernov. Problém je v tom, že tyto částice jsou neuvěřitelně obtížně detekovatelné. To vyžaduje jedinečný detektor, který je dokáže detekovat.
Kde se neutrina nacházejí?
Výstavba neutrinové observatoře IceCubena jižním pólu byla oficiálně dokončena 18. prosince 2010. Byl vyvinut pro hledání vysokoenergetických kosmických neutrin. Samotný detektor se skládá z 5 160 optických senzorů – digitálních optických modulů (DOM) – umístěných v kubickém kilometru antarktického ledu.
Jak se neutrino projevuje?
Když neutrino interaguje s molekulou ledu,výsledné sekundární nabité částice vyzařují modré světlo prostřednictvím procesu známého jako Čerenkovovo záření. Světlo pak prochází ledem a může dosáhnout některých DOM. Výsledkem je, že vědci rekonstruují energii a směr částice. Tento proces je založen na znalosti optických vlastností ledu. Jednou však tento projev neutrin vědce velmi překvapil.
Čerenkovovo záření je forma energiekterou lze pozorovat jako modrou záři způsobenou nabitými částicemi, které tvoří atomy (elektrony a protony), pohybujícími se v určitém prostředí rychlostí přesahující rychlost světla.
Jedinečný fenomén
V 2013 zaměstnanci spolupráce IceCubepozorovali unikátní jev, kdy pozorovaný jas světelného zdroje závisel na směru světla. Tento efekt je známý jako optická anizotropie ledu. Až dosud se výzkumníci pokoušeli popsat anizotropii pomocí změn v absorpci a rozptylu způsobených nečistotami, ale neúspěšně.
Anizotropie je rozdíl ve vlastnostech média v různýchsměry v tomto prostředí; na rozdíl od izotropie. S ohledem na některé vlastnosti může být médium izotropní a s ohledem na jiné anizotropní; stupeň anizotropie se také může lišit.
V nové studii zveřejněnéV časopise The Cryosphere to vysvětlili zaměstnanci IceCube. Ukázalo se, že se objevil jako výsledek dvojlomných vlastností protáhlých ledových krystalů, které ohýbají světlo ve dvou směrech. Jinými slovy, bez dvojlomu světlo vychází radiálně z izotropního zdroje světla a s dvojitým lomem se pomalu odchyluje směrem k ose „proudění“ ledu.
Ilustrace zobrazující nově otevřenýoptický efekt: Bez dvojlomu (nahoře) je světlo vyzařováno radiálně z izotropního zdroje světla. Při dvojlomu (dole) se světlo pomalu odklání směrem k ose ledového proudu.
Kredit: Jack Pyrin/IceCube Collaboration
Tento objev byl použit k vytvoření novéhooptický model ledu na bázi dvojlomu - SpiceBFR. Používá se při modelování detektorů a již výrazně zlepšil interpretaci světelných obrazců, které jsou výsledkem interakce částic v ledu.
20 let výzkumu
Optický model ledu, který využívá spolupráce IceCube, byl vyvíjen od prvních dnů předchozího experimentu AMANDA.
Experiment AMANDA (Antarctic Muon And NeutrinoDetector Array je antarktické pole detektorů mionů a neutrin. Ve skutečnosti se jedná o neutrinový dalekohled umístěný pod Amundsen-Scott South Pole Station. V roce 2005, po devíti letech provozu, se AMANDA oficiálně stala součástí nástupnického projektu, neutrinové observatoře IceCube.
Již více než 20 let přidávají vědci nové objevyke známému chápání ledu, včetně mizení zachycených vzduchových bublin v hloubkách vysoko nad detektorem a že v hloubkách obsahuje jižní pól ledový štít nejčistší led na planetě.
Abych zlepšil předchozí pokusy o popisanizotropie, spolupracovníci pečlivě studovali tento efekt a objevili jeho korelaci s hlubokým vývojem vlastností ledových krystalů. To vedlo vědce k přesvědčení, že mnoho náhodně vybraných malých krystalů, které tvoří led, hraje roli v pozorované anizotropii.
Co vědci udělali?
Aby mohli studovat fyziku, provozovali simulace,který modeloval různé cesty, kterými se světlo mohlo ubírat uvnitř detektoru. Poté porovnali simulovaná data s velkým souborem kalibračních dat převzatým z IceCube.
en.freepik.com
Sada kalibračních dat IceCube obsahujedata z 60 000 LED diod, kterými jsou vybaveny všechny DOMy. Ty zase vyzařují do ledu po sobě jdoucí pulsy světla a poté se používají ke kalibraci optických vlastností ledu.
Co bude dál a proč je to důležité?
Srovnání ukazatelů pomohlo vědcům udělatzávěr o průměrném tvaru a velikosti ledových krystalků uvnitř IceCube. Tento vzrušující nový objev podporuje vytváření nových simulací a přizpůsobení současných metod rekonstrukce tak, aby odpovídaly modelu SpiceBFR.
Tento objev pomůže nejen zlepšit IceCuberekonstruované interakce neutrin. Výzkum má důsledky pro oblast glaciologie jako celku. Jak poznamenávají autoři nové práce, vlastnosti ledových krystalů jsou studovány zejména za účelem pochopení mechaniky proudění ledu. Tato data pak lze použít k předpovědi antarktické bilance hmoty a výsledného vzestupu hladiny moře v měnícím se klimatu.
Přečtěte si více:
Signál Starlink byl hackerem použit jako alternativa k GPS
NASA odhalila původ Haumea – nejzáhadnější planety sluneční soustavy
Fyzici prolomili standardní kvantový limit „kvantovým hororem“
Na obálce: Vavilov-Čerenkovova radiace v chladivu výzkumného reaktoru ATR v Idaho National Laboratory. Foto: Argonne National Laboratory