Jede Sekunde passieren 100 Billionen Neutrinos den menschlichen Körper. Diese winzigen, fast masselosen
Neutrinos sind die allgemeine Bezeichnung für neutralElementarteilchen mit halbzahligem Spin, die nur an schwachen und gravitativen Wechselwirkungen teilnehmen und zur Klasse der Leptonen gehören. Derzeit sind drei Arten von Neutrinos bekannt: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos sowie die entsprechenden Antiteilchen.
Neutrinos entstehen in vielen Prozessen, zum Beispielbei thermonuklearen Reaktionen im Inneren von Sternen und bei Supernova-Explosionen. Das Problem ist, dass diese Partikel unglaublich schwer zu erkennen sind. Dafür ist ein einzigartiger Detektor erforderlich, der sie erkennen kann.
Wo kommen Neutrinos vor?
Bau des IceCube-Neutrino-Observatoriumsam Südpol wurde am 18. Dezember 2010 offiziell abgeschlossen. Es wurde entwickelt, um nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos zu suchen. Der Detektor selbst besteht aus 5.160 optischen Sensoren – digitalen optischen Modulen (DOMs), die in einem Kubikkilometer antarktischem Eis platziert sind.
Wie manifestiert sich ein Neutrino?
Wenn ein Neutrino mit einem Eismolekül interagiert,Die resultierenden sekundär geladenen Teilchen emittieren blaues Licht durch einen Prozess, der als Tscherenkow-Strahlung bekannt ist. Das Licht dringt dann durch das Eis und kann einige DOMs erreichen. Dadurch rekonstruieren die Forscher die Energie und Richtung des Teilchens. Dieser Prozess basiert auf dem Wissen über die optischen Eigenschaften von Eis. Doch einmal überraschte diese Manifestation von Neutrinos die Wissenschaftler sehr.
Tscherenkow-Strahlung ist eine EnergieformDies kann als blaues Leuchten beobachtet werden, das durch die geladenen Teilchen verursacht wird, aus denen Atome (Elektronen und Protonen) bestehen, die sich in einer bestimmten Umgebung mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Einzigartiges Phänomen
Im Jahr 2013 arbeiteten Mitarbeiter der IceCube-Kollaboration zusammenbeobachtete ein einzigartiges Phänomen, bei dem die beobachtete Helligkeit der Lichtquelle von der Richtung des Lichts abhing. Der Effekt ist als optische Anisotropie von Eis bekannt. Bisher haben Forscher versucht, die Anisotropie mithilfe von durch Verunreinigungen verursachten Variationen der Absorption und Streuung zu beschreiben, jedoch ohne Erfolg.
Anisotropie ist der Unterschied in den Eigenschaften eines Mediums in verschiedenenRichtungen innerhalb dieser Umgebung; im Gegensatz zur Isotropie. Bezüglich einiger Eigenschaften kann das Medium isotrop und bezüglich anderer anisotrop sein; Auch der Grad der Anisotropie kann variieren.
In einer neuen Studie veröffentlichtIn der Zeitschrift „The Cryosphere“ erklärten es die Mitarbeiter von IceCube. Es stellte sich heraus, dass dies auf die doppelbrechenden Eigenschaften länglicher Eiskristalle zurückzuführen war, die das Licht in zwei Richtungen beugen. Mit anderen Worten: Ohne Doppelbrechung kommt Licht radial von einer isotropen Lichtquelle und weicht bei Doppelbrechung langsam in Richtung der Achse des Eis-„Flusses“ ab.
Abbildung zeigt ein neu eröffnetesoptischer Effekt: Ohne Doppelbrechung (oben) wird Licht radial von einer isotropen Lichtquelle abgestrahlt. Mit Doppelbrechung (unten) wird das Licht langsam in Richtung der Achse des Eisstroms abgelenkt.
Bildnachweis: Jack Pyrin/IceCube Collaboration
Diese Entdeckung wurde genutzt, um etwas Neues zu schaffenoptisches Modell von Eis basierend auf Doppelbrechung – SpiceBFR. Es wird in der Detektormodellierung eingesetzt und hat die Interpretation von Lichtmustern, die durch die Wechselwirkung von Partikeln im Eis entstehen, bereits deutlich verbessert.
20 Jahre Forschung
Das optische Eismodell, das die IceCube-Kollaboration verwendet, wurde seit den Anfängen des vorherigen AMANDA-Experiments entwickelt.
AMANDA-Experiment (antarktisches Myon und NeutrinoDetector Array ist ein antarktisches Array von Myon- und Neutrino-Detektoren. Tatsächlich ist dies ein Neutrino-Teleskop, das sich unter der Amundsen-Scott-Südpolstation befindet. 2005 wurde AMANDA nach neun Jahren Betrieb offiziell Teil des Nachfolgeprojekts, des Neutrino-Observatoriums IceCube.
Seit mehr als 20 Jahren haben Wissenschaftler neue Entdeckungen hinzugefügtzum bekannten Verständnis von Eis, einschließlich des Verschwindens eingeschlossener Luftblasen in Tiefen deutlich über dem Detektor und der Tatsache, dass der Südpol-Eisschild in Tiefen das reinste Eis auf dem Planeten enthält.
Um frühere Beschreibungsversuche zu verbessernAnisotropie untersuchten die Mitarbeiter diesen Effekt sorgfältig und entdeckten seinen Zusammenhang mit der tiefgreifenden Entwicklung der Eigenschaften von Eiskristallen. Dies ließ Wissenschaftler vermuten, dass die vielen zufällig ausgewählten kleinen Kristalle, aus denen das Eis besteht, eine Rolle bei der beobachteten Anisotropie spielen.
Was haben die Wissenschaftler getan?
Um dies zu untersuchen, führten Physiker Simulationen durch,der die verschiedenen Wege modellierte, die das Licht im Inneren des Detektors nehmen kann. Anschließend verglichen sie die simulierten Daten mit einem großen Kalibrierungsdatensatz von IceCube.
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Der IceCube-Kalibrierungsdatensatz enthältDaten von den 60 000 LEDs, mit denen alle DOMs ausgestattet sind. Diese wiederum senden aufeinanderfolgende Lichtimpulse in das Eis aus und werden dann zur Kalibrierung der optischen Eigenschaften des Eises verwendet.
Was kommt als nächstes und warum ist es wichtig?
Der Vergleich der Indikatoren hat den Wissenschaftlern geholfenSchlussfolgerung über die durchschnittliche Form und Größe von Eiskristallen im IceCube. Diese aufregende neue Entdeckung fördert die Erstellung neuer Simulationen und die Anpassung aktueller Rekonstruktionsmethoden, um das SpiceBFR-Modell zu berücksichtigen.
Die Entdeckung wird IceCube nicht nur dabei helfen, sich zu verbessernrekonstruierte Neutrino-Wechselwirkungen. Die Forschung hat Auswirkungen auf das gesamte Gebiet der Glaziologie. Wie die Autoren der neuen Arbeit anmerken, werden insbesondere die Eigenschaften von Eiskristallen untersucht, um die Mechanik des Eisflusses zu verstehen. Diese Daten können dann verwendet werden, um die Massenbilanz der Antarktis und den daraus resultierenden Anstieg des Meeresspiegels in einem sich ändernden Klima vorherzusagen.
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