Co sekundę przez ludzkie ciało przechodzi 100 bilionów neutrin. Te maleńkie, prawie bezmasowe
Neutrina to ogólna nazwa neutralnościcząstki elementarne o spinie półcałkowitym, uczestniczące jedynie w oddziaływaniach słabych i grawitacyjnych, należące do klasy leptonów. Obecnie znane są trzy typy neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe, a także odpowiadające im antycząstki.
Neutrina powstają w wielu procesach, np.podczas reakcji termojądrowych we wnętrzach gwiazd i podczas wybuchów supernowych. Problem w tym, że cząstki te są niezwykle trudne do wykrycia. Wymaga to jedynego w swoim rodzaju detektora, który będzie w stanie je wykryć.
Gdzie występują neutrina?
Budowa obserwatorium neutrin IceCubena biegunie południowym została oficjalnie ukończona 18 grudnia 2010 r. Został opracowany w celu poszukiwania wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych. Sam detektor składa się z 5160 czujników optycznych – cyfrowych modułów optycznych (DOM) – umieszczonych w kilometrze sześciennym lodu Antarktydy.
Jak manifestuje się neutrino?
Kiedy neutrino oddziałuje z cząsteczką lodu,powstałe wtórne naładowane cząstki emitują niebieskie światło w procesie znanym jako promieniowanie Czerenkowa. Światło następnie przechodzi przez lód i może dotrzeć do niektórych DOMów. W rezultacie badacze rekonstruują energię i kierunek cząstki. Proces ten opiera się na znajomości właściwości optycznych lodu. Jednak pewnego razu ta manifestacja neutrin bardzo zaskoczyła naukowców.
Promieniowanie Czerenkowa jest formą energiico można zaobserwować jako niebieską poświatę powodowaną przez naładowane cząstki tworzące atomy (elektrony i protony) poruszające się w określonym środowisku z prędkościami przekraczającymi prędkość światła.
Unikalny Fenomen
W 2013 roku pracownicy kolaboracji IceCubezaobserwowali unikalne zjawisko, w którym obserwowana jasność źródła światła zależała od kierunku światła. Efekt ten znany jest jako anizotropia optyczna lodu. Do tej pory badacze próbowali opisać anizotropię za pomocą zmian w absorpcji i rozpraszaniu powodowanych przez zanieczyszczenia, ale bez powodzenia.
Anizotropia to różnica we właściwościach ośrodka w różnychkierunki w tym środowisku; w przeciwieństwie do izotropii. Ośrodek może być izotropowy pod względem niektórych właściwości, a pod innymi anizotropowy; stopień anizotropii może również się różnić.
W nowym opublikowanym badaniuWyjaśnili to pracownicy IceCube w magazynie The Cryoscère. Okazało się, że powstało ono w wyniku dwójłomności wydłużonych kryształków lodu, które załamują światło w dwóch kierunkach. Innymi słowy, bez dwójłomności, światło pochodzi promieniowo z izotropowego źródła światła, a przy podwójnym załamaniu powoli odchyla się w kierunku osi „przepływu” lodu.
Ilustracja przedstawiająca nowo otwarteefekt optyczny: bez dwójłomności (na górze) światło jest emitowane promieniowo z izotropowego źródła światła. W przypadku dwójłomności (na dole) światło jest powoli odchylane w kierunku osi strumienia lodu.
Źródło: współpraca Jack Pyrin/IceCube
Odkrycie to zostało wykorzystane do stworzenia nowegooptyczny model lodu oparty na dwójłomności - SpiceBFR. Znajduje zastosowanie w modelowaniu detektorów i już znacznie poprawiło interpretację wzorców świetlnych powstałych w wyniku interakcji cząstek w lodzie.
20 lat badań
Optyczny model lodu wykorzystywany w ramach współpracy IceCube był opracowywany od początków poprzedniego eksperymentu AMANDA.
Eksperyment AMANDA (Antarktyczny mion i neutrinaDetector Array to antarktyczna tablica detektorów mionów i neutrin. W rzeczywistości jest to teleskop neutrinowy znajdujący się pod stacją Amundsen-Scott na biegunie południowym. W 2005 roku, po dziewięciu latach działalności, AMANDA oficjalnie stała się częścią kolejnego projektu, obserwatorium neutrin IceCube.
Przez ponad 20 lat naukowcy dodawali nowe odkryciado znanego rozumienia lodu, w tym zanikania uwięzionych pęcherzyków powietrza na głębokościach znacznie nad detektorem oraz tego, że na dużych głębokościach pokrywa lodowa bieguna południowego zawiera najczystszy lód na planecie.
Aby ulepszyć poprzednie próby opisuanizotropię, współpracownicy dokładnie zbadali ten efekt, odkrywając jego korelację z głębokim rozwojem właściwości kryształów lodu. To doprowadziło naukowców do przekonania, że wiele losowo wybranych małych kryształów tworzących lód odgrywa rolę w obserwowanej anizotropii.
Co zrobili naukowcy?
Aby studiować fizykę, przeprowadzili symulacje,który modelował różne ścieżki, jakie światło może pokonywać wewnątrz detektora. Następnie porównali symulowane dane z dużym zestawem danych kalibracyjnych pobranych z IceCube.
pl.freepik.com
Набор калибровочных данных IceCube содержит dane z 60 000 diod LED, w które wyposażone są wszystkie DOM-y. Te z kolei emitują do lodu kolejne impulsy światła, a następnie służą do kalibracji właściwości optycznych lodu.
Co dalej i dlaczego jest to ważne?
Porównanie wskaźników pomogło naukowcom dokonaćwnioski na temat średniego kształtu i wielkości kryształków lodu wewnątrz IceCube. To ekscytujące nowe odkrycie zachęca do tworzenia nowych symulacji i adaptacji obecnych metod rekonstrukcji w celu uwzględnienia modelu SpiceBFR.
Odkrycie nie tylko pomoże ulepszyć IceCubezrekonstruowane oddziaływania neutrin. Badania mają implikacje dla całej dziedziny glacjologii. Jak zauważają autorzy nowej pracy, właściwości kryształów lodu są badane w szczególności w celu zrozumienia mechaniki przepływu lodu. Dane te można następnie wykorzystać do przewidywania bilansu masy Antarktyki i wynikającego z tego wzrostu poziomu morza w zmieniającym się klimacie.
Czytaj więcej:
Zhakowany sygnał Starlink, który ma być używany jako alternatywa dla GPS
NASA ujawniła pochodzenie Haumei - najbardziej tajemniczej planety w Układzie Słonecznym
Fizycy łamią standardową granicę kwantową za pomocą „horroru kwantowego”
Na okładce: promieniowanie Wawiłowa-Cerenkowa w chłodziwie reaktora badawczego ATR w Laboratorium Narodowym w Idaho. Zdjęcie: Narodowe Laboratorium Argonne