毎秒 100 兆個のニュートリノが人体を通過します。これらの小さな、ほとんど質量のない
ニュートリノは中性の総称です半整数スピンを持つ基本粒子。弱い重力相互作用にのみ関与し、レプトンのクラスに属します。現在、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノと、それらに対応する反粒子の 3 種類のニュートリノが知られています。
ニュートリノはさまざまなプロセスで生成されます。たとえば、星の内部での熱核反応中や超新星爆発中。問題は、これらの粒子を検出するのが非常に難しいことです。これには、それらを検出できる独自の検出器が必要です。
ニュートリノはどこにある？
IceCubeニュートリノ観測所の建設南極点での実験は、2010 年 12 月 18 日に正式に完了しました。高エネルギーの宇宙ニュートリノを探索するために開発されました。検出器自体は、1 立方キロメートルの南極の氷に埋め込まれた 5,160 個の光学センサー (デジタル光学モジュール (DOM)) で構成されています。
ニュートリノはどのように現れますか?
ニュートリノが氷の分子と相互作用すると、結果として生じる二次荷電粒子は、チェレンコフ放射として知られるプロセスを通じて青色光を放出します。その後、光は氷を通過し、一部の DOM に到達する可能性があります。その結果、研究者らは粒子のエネルギーと方向を再構築しました。このプロセスは、氷の光学的特性の知識に基づいています。しかし、かつてこのニュートリノの出現は科学者を大いに驚かせました。
チェレンコフ放射線はエネルギーの一種ですこれは、原子を構成する荷電粒子（電子と陽子）が特定の環境内を光速を超える速度で移動することによって引き起こされる青い輝きとして観察できます。
特異な現象
2013 年、IceCube コラボレーションの従業員観察された光源の明るさが光の方向に依存するというユニークな現象を観察しました。この効果は氷の光学異方性として知られています。これまで研究者らは、不純物によって引き起こされる吸収と散乱の変化を利用して異方性を説明しようと試みてきましたが、成功していませんでした。
異方性とは、異なる媒体の特性の違いです。この環境内の指示。等方性とは対照的に。媒体は、いくつかの特性に関しては等方性であり、他の特性に関しては異方性である場合があります。異方性の程度も異なる場合があります。
発表された新しい研究ではThe Cryosphereマガジンでは、IceCubeスタッフがそれを説明しました。これは、光を 2 方向に曲げる細長い氷の結晶の複屈折特性の結果として現れることが判明しました。言い換えれば、複屈折がなければ、光は等方性光源から放射状に放射され、複屈折があると、氷の「流れ」の軸に向かってゆっくりと逸れます。
新規オープンを示すイラスト光学効果: 複屈折なし (上)、光は等方性光源から放射状に放射されます。 複屈折あり (下)、光は氷流の軸に向かってゆっくりと偏向されます。
クレジット: Jack Pyrin/IceCube コラボレーション
この発見は、新しいものを作成するために使用されました。複屈折に基づく氷の光学モデル - SpiceBFR。これは検出器のモデリングに使用されており、すでに氷中の粒子の相互作用から生じる光のパターンの解釈を大幅に改善しています。
20年の研究
IceCube コラボレーションで使用される氷の光学モデルは、前回の AMANDA 実験の初期の頃から開発されてきました。
AMANDA実験（南極ミューオンとニュートリノ）ディテクター アレイは、ミューオンおよびニュートリノ検出器の南極アレイです。実は、これはアムンゼン・スコット南極点基地の下にあるニュートリノ望遠鏡です。 2005 年、9 年間の運用の後、AMANDA は正式に後継プロジェクトである IceCube ニュートリノ観測所の一部になりました。
20 年以上にわたり、科学者たちは新たな発見を加えてきましたこれは、検出器のはるか上の深さで閉じ込められた気泡が消失することや、深さでは南極の氷床が地球上で最も純粋な氷を含むことなど、氷に関する既知の理解に基づいています。
以前の説明の試みを改善するため異方性について、共同研究者らはこの効果を注意深く研究し、氷の結晶の特性の深い発達との相関関係を発見した。このことから、科学者たちは、氷を構成する無作為に選択された多数の小さな結晶が、観察された異方性において役割を果たしていると考えるようになりました。
科学者たちは何をしましたか？
調査するために、物理学者はシミュレーションを実行しました。彼は、光が検出器内でたどる可能性のあるさまざまな経路をモデル化しました。次に、シミュレートされたデータを IceCube から取得した大規模なキャリブレーション データ セットと比較しました。
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IceCube キャリブレーション データ セットには次のものが含まれます。すべての DOM に搭載されている 60 000 LED からのデータ。これらは次に、氷の中に光の連続パルスを放射し、氷の光学特性を校正するために使用されます。
次に何が必要で、なぜそれが重要なのですか?
科学者の研究に役立つ指標の比較IceCube 内の氷の結晶の平均的な形状とサイズに関する結論。この刺激的な新しい発見は、新しいシミュレーションの作成と、SpiceBFR モデルを説明するための現在の再構成手法の適応を促進します。
この発見は IceCube の改善に役立つだけではありませんニュートリノ相互作用を再構築。この研究は氷河学の分野全体に影響を及ぼします。新しい研究の著者らが指摘しているように、特に氷の流れの仕組みを理解するために、氷の結晶の特性が研究されている。このデータは、南極の物質収支と、変化する気候における海面上昇を予測するために使用できます。
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表紙: アイダホ国立研究所の ATR 研究炉冷却材中のバビロフ・チェレンコフ放射線。写真: アルゴンヌ国立研究所