Hvert sekund passerer 100 billioner neutrinoer gennem menneskekroppen. Disse små, næsten masseløse
Neutrinoer er det generelle navn for neutralfundamentale partikler med et halvt heltals spin, der kun deltager i svage og gravitationelle interaktioner og tilhører klassen af leptoner. I øjeblikket kendes tre typer neutrinoer: elektron-, myon- og tau-neutrinoer samt deres tilsvarende antipartikler.
Neutrinoer produceres i mange processer, f.eks.under termonukleare reaktioner i stjerners indre og under supernovaeksplosioner. Problemet er, at disse partikler er utrolig svære at opdage. Dette kræver en enestående detektor, der kan registrere dem.
Hvor findes neutrinoer?
Konstruktion af IceCube neutrino-observatorietpå Sydpolen blev officielt afsluttet den 18. december 2010. Det blev udviklet til at søge efter højenergiske kosmiske neutrinoer. Selve detektoren består af 5.160 optiske sensorer - digitale optiske moduler (DOM'er) - placeret i en kubikkilometer Antarktis is.
Hvordan manifesterer en neutrino sig?
Når en neutrino interagerer med et ismolekyle,de resulterende sekundært ladede partikler udsender blåt lys gennem en proces kendt som Cherenkov-stråling. Lyset passerer derefter gennem isen og kan nå nogle DOM'er. Som et resultat rekonstruerer forskerne partiklens energi og retning. Denne proces er baseret på viden om isens optiske egenskaber. Men når denne manifestation af neutrinoer overraskede videnskabsmændene meget.
Cherenkov-stråling er en form for energisom kan observeres som en blå glød forårsaget af de ladede partikler, der udgør atomer (elektroner og protoner), der bevæger sig i et bestemt miljø med hastigheder, der overstiger lysets hastighed.
Unikt fænomen
I 2013 ansatte i IceCube-samarbejdetobserveret et unikt fænomen, hvor lyskildens observerede lysstyrke afhang af lysets retning. Effekten er kendt som optisk anisotropi af is. Indtil nu har forskere forsøgt at beskrive anisotropi ved hjælp af variationer i absorption og spredning forårsaget af urenheder, men uden held.
Anisotropi er forskellen i egenskaberne af et medium i forskelligeretninger inden for dette miljø; i modsætning til isotropi. Med hensyn til nogle egenskaber kan mediet være isotropt og med hensyn til andre anisotropt; graden af anisotropi kan også variere.
I en ny undersøgelse offentliggjortI magasinet The Cryosphere forklarede IceCube-personalet det. Det viste sig, at det optrådte som et resultat af de dobbeltbrydende egenskaber af aflange iskrystaller, som bøjer lyset i to retninger. Med andre ord, uden dobbeltbrydning kommer lys radialt fra en isotrop lyskilde, og med dobbelt brydning afviger det langsomt mod isens "strømningsakse".
Illustration, der viser en nyåbnetoptisk effekt: Uden dobbeltbrydning (øverst) udsendes lys radialt fra en isotrop lyskilde. Med dobbeltbrydning (nederst) afbøjes lyset langsomt mod isstrømmens akse.
Kredit: Jack Pyrin/IceCube Collaboration
Denne opdagelse blev brugt til at skabe en nyoptisk model af is baseret på dobbeltbrydning - SpiceBFR. Det bruges i detektormodellering og har allerede forbedret fortolkningen af lysmønstre, der er et resultat af samspillet mellem partikler i is, markant.
20 års forskning
Den optiske model af is, som IceCube-samarbejdet bruger, er udviklet siden de tidlige dage af det forrige AMANDA-eksperiment.
AMANDA Experiment (Antarctic Muon And NeutrinoDetector Array er en antarktisk række af myon- og neutrino-detektorer. Faktisk er dette et neutrinoteleskop placeret under Amundsen-Scott South Pole Station. I 2005, efter ni års drift, blev AMANDA officielt en del af efterfølgerprojektet, IceCube neutrino-observatoriet.
I mere end 20 år har forskere tilføjet nye opdagelsertil den kendte forståelse af is, herunder forsvinden af indespærrede luftbobler i dybder langt over detektoren, og at på dybder indeholder Sydpolens indlandsis den reneste is på planeten.
For at forbedre tidligere forsøg på at beskriveanisotropi, undersøgte samarbejdspartnere omhyggeligt denne effekt og opdagede dens sammenhæng med den dybe udvikling af iskrystallernes egenskaber. Dette fik videnskabsmænd til at tro, at de mange tilfældigt udvalgte små krystaller, der udgør isen, spiller en rolle i den observerede anisotropi.
Hvad har forskerne gjort?
For at studere fysik kørte de simuleringer,som modellerede de forskellige veje, som lys kunne tage inde i detektoren. De sammenlignede derefter de simulerede data med et stort kalibreringsdatasæt taget fra IceCube.
en.freepik.com
IceCube kalibreringsdatasættet indeholderdata fra de 60 000 LED'er, som alle DOM'er er udstyret med. Disse udsender til gengæld successive lysimpulser ind i isen og bruges derefter til at kalibrere isens optiske egenskaber.
Hvad er det næste, og hvorfor er det vigtigt?
Sammenligning af indikatorer hjalp videnskabsmænd med at lavekonklusion om den gennemsnitlige form og størrelse af iskrystaller inde i IceCuben. Denne spændende nye opdagelse tilskynder til oprettelse af nye simuleringer og tilpasning af nuværende rekonstruktionsmetoder for at tage højde for SpiceBFR-modellen.
Opdagelsen vil ikke kun hjælpe IceCube med at forbedre sigrekonstruerede neutrino-interaktioner. Forskningen har betydning for glaciologiområdet som helhed. Som forfatterne til det nye værk bemærker, studeres iskrystallers egenskaber, især for at forstå mekanikken bag isstrømmen. Disse data kan derefter bruges til at forudsige Antarktis massebalance og resulterende havniveaustigning i et skiftende klima.
Læs mere:
Starlink-signal hacket til at blive brugt som et alternativ til GPS
NASA afslørede oprindelsen af Haumea - den mest mystiske planet i solsystemet
Fysikere bryder standard kvantegrænse med 'Quantum Horror'
På forsiden: Vavilov-Cerenkov-stråling i kølevæsken i ATR-forskningsreaktoren på Idaho National Laboratory. Foto: Argonne National Laboratory