Varje sekund passerar 100 biljoner neutriner genom människokroppen. Dessa små, nästan masslösa
Neutrinos är det allmänna namnet för neutralfundamentala partiklar med halvheltalsspinn, som endast deltar i svaga och gravitationella interaktioner och tillhör klassen leptoner. För närvarande är tre typer av neutriner kända: elektron-, myon- och tau-neutriner, samt deras motsvarande antipartiklar.
Neutrinos produceras i många processer, t.ex.under termonukleära reaktioner i stjärnors inre och under supernovaexplosioner. Problemet är att dessa partiklar är otroligt svåra att upptäcka. Detta kräver en unik detektor som kan upptäcka dem.
Var finns neutriner?
Konstruktion av IceCube neutrinobservatorietvid Sydpolen avslutades officiellt den 18 december 2010. Det utvecklades för att söka efter kosmiska neutrinos med hög energi. Själva detektorn består av 5 160 optiska sensorer – digitala optiska moduler (DOM) – placerade i en kubikkilometer Antarktis is.
Hur visar sig en neutrino?
När en neutrino interagerar med en ismolekyl,de resulterande sekundärt laddade partiklarna avger blått ljus genom en process som kallas Cherenkov-strålning. Ljuset passerar sedan genom isen och kan nå vissa DOM. Som ett resultat rekonstruerar forskarna partikelns energi och riktning. Denna process är baserad på kunskap om isens optiska egenskaper. Men när denna manifestation av neutriner överraskade forskarna mycket.
Cherenkov-strålning är en form av energisom kan observeras som ett blått sken orsakat av de laddade partiklarna som utgör atomer (elektroner och protoner) som rör sig i en viss miljö med hastigheter som överstiger ljusets hastighet.
Unikt fenomen
Under 2013, anställda i IceCube-samarbetetobserverade ett unikt fenomen där ljuskällans observerade ljusstyrka berodde på ljusets riktning. Effekten är känd som optisk anisotropi av is. Hittills har forskare försökt beskriva anisotropi med hjälp av variationer i absorption och spridning orsakade av föroreningar, men utan framgång.
Anisotropi är skillnaden i egenskaperna hos ett medium i olikariktningar inom denna miljö; i motsats till isotropi. Med avseende på vissa egenskaper kan mediet vara isotropt och med avseende på andra anisotropt; graden av anisotropi kan också variera.
I en ny studie publiceradI tidningen The Cryosphere förklarade IceCube-personalen det. Det visade sig att det dök upp som ett resultat av de dubbelbrytande egenskaperna hos långsträckta iskristaller, som böjer ljus i två riktningar. Med andra ord, utan dubbelbrytning kommer ljus radiellt från en isotrop ljuskälla och med dubbel brytning avviker det långsamt mot isens "flödesaxel".
Illustration som visar en nyöppnadoptisk effekt: Utan dubbelbrytning (överst) emitteras ljus radiellt från en isotrop ljuskälla. Med dubbelbrytning (botten) avleds ljuset långsamt mot isströmmens axel.
Kredit: Jack Pyrin/IceCube Collaboration
Denna upptäckt användes för att skapa en nyoptisk modell av is baserad på dubbelbrytning - SpiceBFR. Den används i detektormodellering och har redan avsevärt förbättrat tolkningen av ljusmönster som är ett resultat av interaktionen mellan partiklar i is.
20 år av forskning
Den optiska modellen av is som IceCube-samarbetet använder har utvecklats sedan början av det tidigare AMANDA-experimentet.
AMANDA Experiment (Antarctic Muon And NeutrinoDetector Array är en antarktisk samling av myon- och neutrinodetektorer. I själva verket är detta ett neutrinoteleskop som ligger under Amundsen-Scotts sydpolstation. 2005, efter nio års verksamhet, blev AMANDA officiellt en del av efterföljarprojektet, IceCube neutrinobservatoriet.
I mer än 20 år har forskare lagt till nya upptäcktertill den kända förståelsen av is, inklusive försvinnandet av instängda luftbubblor på djup långt över detektorn och att på djupen innehåller sydpolens inlandsis den renaste isen på planeten.
För att förbättra tidigare försök att beskrivaanisotropi, studerade medarbetare noggrant denna effekt och upptäckte dess korrelation med den djupa utvecklingen av egenskaperna hos iskristaller. Detta fick forskare att tro att de många slumpmässigt utvalda små kristallerna som utgör isen spelar en roll i den observerade anisotropin.
Vad har forskarna gjort?
För att studera fysik körde de simuleringar,som modellerade de olika vägarna som ljus kunde ta inuti detektorn. De jämförde sedan den simulerade datan med en stor kalibreringsdatauppsättning hämtad från IceCube.
sv.freepik.com
IceCube-kalibreringsdatauppsättningen innehållerdata från de 60 000 lysdioder som alla DOM är utrustade med. Dessa sänder i sin tur ut på varandra följande ljuspulser in i isen och används sedan för att kalibrera isens optiska egenskaper.
Vad händer härnäst och varför är det viktigt?
Jämförelse av indikatorer hjälpte forskarna att göraslutsats om den genomsnittliga formen och storleken på iskristaller inuti IceCube. Denna spännande nya upptäckt uppmuntrar skapandet av nya simuleringar och anpassningen av nuvarande rekonstruktionsmetoder för att ta hänsyn till SpiceBFR-modellen.
Upptäckten kommer inte bara att hjälpa IceCube att förbättrasrekonstruerade neutrinointeraktioner. Forskningen har implikationer för glaciologiområdet som helhet. Som författarna till det nya arbetet noterar studeras iskristallernas egenskaper, särskilt för att förstå mekaniken i isflödet. Dessa data kan sedan användas för att förutsäga Antarktis massbalans och resulterande havsnivåhöjning i ett föränderligt klimat.
Läs mer:
Starlink-signal hackad för att användas som ett alternativ till GPS
NASA avslöjade ursprunget till Haumea - den mest mystiska planeten i solsystemet
Fysiker bryter standardkvantgränsen med "Quantum Horror"
På omslaget: Vavilov-Cerenkov-strålning i kylvätskan i ATR-forskningsreaktorn vid Idaho National Laboratory. Foto: Argonne National Laboratory