Catch Neutrinos: Miten tiedemiehet etsivät vastauksia hiukkasista, jotka saapuvat maan päälle kaikkialta maailmasta

Neutrino-seurantakeskukset

Kosmiset säteet - alkuainehiukkasten virrat, jotka liikkuvat suurella energialla

ulkoavaruus, joka on ensin kirjattu vuonna 1912. Tällaiset hiukkaset pommittavat jatkuvasti maata, mutta niiden lähteiden jäljittäminen on melko vaikeaa.

Koska kosmiset säteet eivät koostu vainneutraaleilla hiukkasilla (tai neutrinoilla), mutta myös varautuneista, ne vaikuttavat planeettamme magneettikenttään. Tämä vuorovaikutus muuttaa niiden reittiä ja vaikeuttaa säteilylähteen määrittämistä.

Samalla vapaat partikkelit kulkevat vapaastimagneettikenttien läpi, noudattaen alun perin määriteltyä liikerataa. Joka toinen noin 100 miljardia neutriinaa kulkee kehon yhden neliötuuman läpi. Suurin osa niistä muodostuu auringon protonien fuusioista ja ne eivät ole tarpeeksi energisiä tunnistettaviksi, mutta jotkut tavoittavat planeettamme Linnunradan ulkopuolelta.

Neutrinos maapallolla on erittäin vaikea korjata -nämä perusosat eivät ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa, lukuun ottamatta harvinaisia ​​tapauksia, joissa neutriinoa törmää atomin ytimeen ja ydinreaktioon sen jälkeen.

Tällaisten ydinreaktioiden seuraukset ovat lähes näkymättömiä: Kun neutriinot törmäävät atomin ytimeen, syntyy Cherenkov-säteily - heikko sininen hehku, joka näkyy vain hyvin puhtaassa vedessä tai jäässä. Säteily tallentaa tietoa neutriinon reitistä ja mahdollistaa hiukkasen energian laskemisen. Näin fyysikot voivat tutkia harvinaisia ​​hiukkasia huolimatta siitä, että he ovat haluttomia vuorovaikutukseen.

IceCube

Suurin osa jäästä sisältää ilmakuplia,jotka muodostavat tyhjiä ja vääristävät neutrino-reittitietoja. Mutta yli 2 km: n syvyydessä eteläisellä puolella jää on homogeeninen rakenne ilman kuplia - paine on niin suuri, että jää kutistuu ja pakottaa ilmaa ulos, kunnes se muuttuu ”puhtaana”.

IceCube-missio

Tämä syvä Etelämantereen jään ominaisuusIceCube-operaation fyysikot käyttivät hyväkseen - niiden rakentama observatorio sijaitsee 2,5 km: n syvyydessä Amundsen-Scott-tutkimusaseman alla ja on neutrinoilmaisin, jonka pinta-ala on noin 1 cu. km.

Asemalla on 56 merkkijonoa ja 5,2 tuhatta. optiset anturit. Hiukkaset kulkevat merkkijonojen läpi, ja optiset anturit yrittävät havaita muonien heikkoa sinistä hehkua - hiukkasia, jotka muodostuvat neutronien ja jää-atomien törmäysten seurauksena ja heijastavat heikon sinisen hehkun.

Stringit Amundsen-Scott-aseman alla

Vaikka observatorio sijaitseeEtelä-napa-ilmaisimet keräävät tietoja kosmisista neutriinoista, jotka tulevat maailman eri puolilta, erityisesti pohjoisesta pallonpuoliskosta. Samalla maapallon massa on suodatin, joka katkaisee "ylimääräiset" tai vähän energiaa sisältävät hiukkaset.

Vuonna 2014 IceCube-operaation tutkijat onnistuivattodistaa, että ekstragalaktiset neutriinot pääsevät maahan. Kolmen ensimmäisen toimintavuoden aikana seurantakeskus kirjasi 37 neutriinoa, joiden energia oli yli 30 TeV, joka on viisi kertaa enemmän kuin yhden protonin energia.

Syyskuussa 2017 tiedemiehet ensimmäistä kertaa historiassarekisteröidyt neutriinot, joiden alkuperäinen energia oli 230 TeV. Fermi-gamma-kaukoputken tietojen ansiosta astrofysiikka on löytänyt säteilylähteen - blazar TXS 0506 + 056, joka sijaitsee 4 miljardin valovuoden päässä maasta.

Hyvin johtava IceCube Observatory

Nämä löydöt selittävät neutriinojen opiskelun merkityksen.- nämä perustekijät antavat tutkijoille mahdollisuuden tutustua kosmisiin kappaleisiin, jotka sijaitsevat yli 13 miljardin valovuoden päässä. Tämän alueen ulkopuolella tila on täynnä neutraaleja vetyatomeja, jotka absorboivat näkyvää valoa, mutta neutriinot voittavat tämän tilan vapaasti.

Super-Kamiokande ja SNO

IceCube ei ole ainoa neutrino-observatorio. Viime vuosisadan lopussa Super-Kamiokande- ja SNO-hankkeiden tutkijat saivat Nobelin palkinnon neutrino-ominaisuuksien löytämisestä. Kokeilut ilmaisimilla, jotka perustuvat Cherenkov-säteilyn kiinnittämisen periaatteeseen, osoittivat, että tällä perustavalla hiukkasella on ei-nolla-massa.

Gravitationaalisen aallon observatorioita

Tilan ja ajan vaihtelut havaitsevat hyvinvaikeaksi. Tosiasia on, että sellaiset värähtelyt, jotka johtuvat gravitaatiokenttien muutoksista, ovat hyvin heikkoja, aistit eivät tunnista niitä, eivätkä tavanomaiset instrumentit ymmärrä toisin kuin ääni tai radio.

Ehdotettiin gravitaatioaaltojen olemassaoloaAlbert Einstein hänen yleisessä suhteellisuusteoriassaan. Teoreettinen fyysikko uskoi, että tällaisten värähtelyjen syynä on massan kiihtyminen Universumissa, esimerkiksi kahden suuren esineen yhdistäminen tai absorptio toistensa kanssa. Aaltojen avulla voit määrittää esineiden koon ja etäisyyden niihin. Näiden tietojen perusteella tiedemiehet voivat luoda kosmiset ruumiit ennen kuin ne törmäävät.

Ensimmäistä kertaa historiassa gravitaatioaalto onnistuitiedemiehet vahvistavat LIGO / VIRGO-yhteistyökokeesta - avaruusajan värähtelyt johtuivat kahden mustan reiän sulautumisesta ja yhden supermassive-pyörivän mustan reiän muodostumisesta.

Kahden mustan reiän sulautuminen

LIGO / Neitsyt

LIGO toimii interferometrin periaatteella -Observatorio koostuu kahdesta olkapäästä, joiden pituus on 4 km. Niiden alussa ja lopussa ultratekniset peilit asennetaan eristettyihin värähtelytaulukoihin, jotka liikkuvat samassa tasossa. Laserin säteet kulkevat kummassakin olkapäässä kaukaa ja yhdistyvät keskelle.

LIGOn observatorio

Kokeilun ajatus onsillä, että kvadrupoli-gravitaatioaalon aiheuttama avaruus-aika-vääristymä johtaisi jonkin varren ohueseen pidentymiseen samalla, kun toista pienennetään. Toisin sanoen, jos jokin palkkeista saapuu vähäisellä viiveellä, signaali laukeaa, mikä voi osoittaa gravitaatioaalon havaitsemisen.

Tämä venymä on erittäin pieni - syyskuussa 2017LIGOn fyysikot ovat huomanneet, että laserin pituus on lyhentynyt käsivarressa triljoonalla metrillä - noin tuhannesosa protonin halkaisijasta. Lisäksi lasersäteiden saapumisajan ero oli vain 10 ms.

Neitsyt toimii samalla periaatteella ja salliitarkista LIGO-tiedot. Nyt molemmat projektit jäädytetään loputtomiin. Tähän mennessä LIGO ja sen eurooppalainen kumppani Virgo ovat tallentaneet yhteensä neljä painovoimaa - vuosina 2015 ja 2017.

Fyysikot odottavat, että gravitaatioaaltojen tutkimus sallii ymmärtää neutronitähtien ultranopean pyörimisen syyt, tutkia mustien reikien yhdistämistä.

elisa

NASAn ja Euroopan avaruuden tutkijatVirastot (ESA) työskentelevät myös projektissa, jossa on gravitaatioaalto-observatorio avaruudessa - eLISA-antenni. LIGOn kaltainen laite toimii interferometrin periaatteella, mutta lasersäde liikkuu peilien välillä tähtitieteellisellä etäisyydellä. Tämä vähentää orbiterin havaitsemien aaltojen taajuutta neljään viiteen suuruusluokkaan verrattuna LIGOan.

Nyt projekti on suunnitteluvaiheessa. Avaruantennin käynnistäminen on suunniteltu 2034, hankkeen arvioitu kesto on 5–10 vuotta.