Щосекунди через тіло людини проходить 100 трильйонів нейтрино. Ці крихітні, майже безмасові
Нейтрино - загальна назва нейтральнихфундаментальних частинок з напівцілим спином, що беруть участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодії і відносяться до класу лептонів. В даний час відомо три різновиди нейтрино: електронне, мюонне та тау-нейтрино, а також відповідні їм античастинки.
Нейтрино народжуються у багатьох процесах, наприклад,в ході термоядерних реакцій у надрах зірок та при вибухах наднових. Проблема в тому, що ці частинки неймовірно складно виявити. Для цього потрібен єдиний у своєму роді детектор, який може їх засікти.
Де шукають нейтрино?
Будівництво нейтринної обсерваторії IceCubeна Південному полюсі офіційно завершили 18 грудня 2010 року. Її розробили для пошуку високоенергетичних космічних нейтрино. Сам детектор складається з 5 160 оптичних датчиків - цифрових оптичних модулів (digital optical modules, DOM), - поміщених в кубічний кілометр антарктичного льоду.
Як виявляється нейтрино?
Коли нейтрино взаємодіє з молекулою льоду,утворені вторинні заряджені частинки випромінюють синє світло в результаті процесу, відомого випромінювання Черенкова. Потім світло проходить крізь лід і може досягати деяких DOM. У результаті дослідники реконструюють енергію та напрямок частки. Цей процес заснований на знанні оптичних властивостей льоду. Однак один раз цей прояв нейтрино дуже здивував вчених.
Черенківське випромінювання - це форма енергії,яку можна спостерігати у вигляді блакитного світіння, що викликається зарядженими частинками, з яких складаються атоми (електрони та протони), що рухаються у певному середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.
Унікальне явище
У 2013 році співробітники колаборації IceCubeспостерігали унікальне явище, коли яскравість джерела світла, що спостерігається, залежала від напрямку світла. Ефект відомий як оптична анізотропія льоду. Досі дослідники намагалися описати анізотропію за допомогою варіацій поглинання і розсіяння, викликаних домішками, але безуспішно.
Анізотропія - відмінність властивостей середовища в різнихнапрямках усередині цього середовища; на противагу ізотропії. Щодо одних властивостей середовище може бути ізотропним, а щодо інших — анізотропним; ступінь анізотропії також може відрізнятися.
В новому дослідженні, опублікованомув журналі The Cryosphere, співробітники IceCube пояснили його. Виявилося, що він з'явився в результаті двопроменезаломлюючих властивостей подовжених кристалів льоду, які відхиляють світло в двох напрямках. Іншими словами, без подвійного променезаломлення світло виходить радіально від ізотропного джерела світла, а при подвійному — повільно відхиляється до осі крижаного «потоку».
Ілюстрація, що демонструє нещодавно відкритийоптичний ефект: без подвійного променезаломлення (вгорі) світло виходить радіально від ізотропного джерела світла. При подвійному променезаломленні (внизу) світло повільно відхиляється до осі крижаного потоку.
Надано: Джек Пайрін/IceCube Collaboration
Це відкриття використали, щоб створити новуоптичну модель льоду на основі подвійного променезаломлення - SpiceBFR. Її використовують у моделюванні детектора і вона вже істотно покращила інтерпретацію світлових патернів, які виникають в результаті взаємодії частинок під льодом.
20 років досліджень
Оптичну модель льоду, яку використовує колаборація IceCube, розробляли з перших днів попереднього експерименту AMANDA.
Експеримент AMANDA (Antarctic Muon And NeutrinoDetector Array) - Антарктичний масив детекторів мюонів і нейтрино. По суті це нейтринний телескоп, розташований під Південнополярною станцією Амундсена-Скотта. У 2005 році, після дев'яти років роботи, AMANDA офіційно стала частиною проекту-наступника, нейтринної обсерваторії IceCube.
Більше 20 років вчені додавали нові відкриттядо відомого розуміння льоду, включаючи зникнення захоплених бульбашок повітря на глибинах значно вище детектора і те, що на глибинах крижаний щит Південного полюса містить найчистіший лід на планеті.
Щоб покращити попередні спроби описатиАнізотропія, співробітники уважно вивчили цей ефект, виявивши його кореляцію з глибинним розвитком властивостей кристалів льоду. Це навело вчених на думку, що безліч випадково підібраних дрібних кристалів, що складають лід, відіграють роль в спостережуваній анізотропії.
Що зробили вчені?
Для дослідження фізики запустили симуляції,які змоделювали різні шляхи, яким світло може проходити всередині детектора. Потім вони порівняли змодельовані дані з великим набором даних калібрування, взятим з IceCube.
ru.freepik.com
Набір калібрувальних даних IceCube міститьдані від 60 000 світлодіодів, якими обладнані всі DOM. Вони, у свою чергу, випромінюють послідовні світлові імпульси в лід, а потім використовуються для калібрування оптичних властивостей льоду.
Що далі та чому це важливо?
Порівняння показників допомогло вченим зробитивисновок про середню форму і розмір кристалів льоду всередині IceCube. Це захоплююче нове відкриття спонукає до створення нових симуляцій і адаптації поточних методів реконструкції для обліку моделі SpiceBFR.
Відкриття не тільки допоможе IceCube покращитиреконструйована взаємодія нейтрино. Дослідження має значення для галузі гляціології в цілому. Як відзначають автори нової роботи, властивості кристалів льоду вивчають, зокрема, для розуміння механіки течії льоду. Потім ці дані можна використовувати, щоб спрогнозувати баланс маси Антарктики і, як наслідок, підвищення рівня моря в мінливому кліматі.
Читати далі:
Сигнал Starlink зламали, щоб використовувати його як альтернативу GPS
НАСА розкрило походження Хаумеї — найзагадковішої планети Сонячної системи
Фізики подолали стандартну квантову межу за допомогою «квантового остраху»
На обкладинці: випромінювання Вавілова - Черенкова в охолодній рідині дослідного реактора ATR Національної лабораторії Айдахо. Фото: Argonne National Laboratory