Op het zuidpoolstation Amundsen-Scott op Antarctica ligt het IceCube Neutrino-observatorium - een faciliteit die zich toelegt op de studie van elementaire deeltjes die bekend staan als neutrino. Deze array bestaat uit 5.160 sferische optische sensoren - Digital Optical Modules (DOMs) - begraven binnen een kubieke kilometer helder ijs. Momenteel is dit observatorium de grootste neutrinodetector ter wereld en heeft het de afgelopen zeven jaar onderzocht hoe deze deeltjes zich gedragen en op elkaar reageren.
Het meest recente onderzoek dat is uitgebracht door de IceCube-samenwerking, met de hulp van natuurkundigen van de Pennsylvania State University, heeft het vermogen van de aarde gemeten om voor het eerst neutrino's te blokkeren. In overeenstemming met het standaardmodel voor deeltjesfysica, stelden ze vast dat terwijl er biljoenen neutrino's regelmatig door de aarde (en ons) gaan, sommige er soms door worden tegengehouden.
De studie, getiteld "Meting van de multi-TeV Neutrino-interactie dwarsdoorsnede met IceCube met behulp van aardabsorptie", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur. De resultaten van het onderzoeksteam waren gebaseerd op de observatie van 10.784 interacties gemaakt door hoogenergetische, opwaarts bewegende neutrino's, die in de loop van een jaar in het observatorium werden geregistreerd.
In 2013 werden de eerste detecties van hoogenergetische neutrino's gedaan door IceCube-samenwerking. Deze neutrino's - waarvan werd aangenomen dat ze astrofysisch van oorsprong waren - bevonden zich in het peta-elektronenvoltbereik, waardoor ze de tot nu toe ontdekte neutrino's met de hoogste energie zijn. IceCube zoekt naar tekenen van deze interacties door te zoeken naar Cherenkov-straling, die wordt geproduceerd nadat snel bewegende geladen deeltjes worden vertraagd door interactie met normale materie.
Door neutrino's te detecteren die interageren met het heldere ijs, konden de IceCube-instrumenten de energie en bewegingsrichting van de neutrino's schatten. Ondanks deze detecties bleef het mysterie echter bestaan of enige materie een neutrino kon stoppen of niet terwijl het door de ruimte reisde. In overeenstemming met het standaardmodel van deeltjesfysica is dit iets dat bij gelegenheid zou moeten gebeuren.
Na een jaar lang de interacties bij IceCube te hebben waargenomen, ontdekte het wetenschappelijke team dat de neutrino's die het verst door de aarde moesten reizen, de detector minder snel bereikten. Zoals Doug Cowen, hoogleraar natuurkunde en astronomie / astrofysica aan Penn State, uitlegde in een persbericht van Penn State:
“Deze prestatie is belangrijk omdat het voor het eerst laat zien dat zeer energetische neutrino's door iets kunnen worden geabsorbeerd - in dit geval de aarde. We wisten dat neutrino's met een lagere energie vrijwel alles doorlaten, maar hoewel we hadden verwacht dat neutrino's met een hogere energie anders zouden zijn, hadden geen eerdere experimenten overtuigend kunnen aantonen dat neutrino's met een hogere energie door alles kunnen worden tegengehouden. ”
Het bestaan van neutrino's werd voor het eerst voorgesteld in 1930 door de theoretische natuurkundige Wolfgang Pauli, die hun bestaan voorstelde als een manier om bèta-verval te verklaren in termen van behoud van de energiewet. Ze worden zo genoemd omdat ze elektrisch neutraal zijn en slechts zeer zwak met materie interageren - d.w.z. door de zwakke subatomaire kracht en zwaartekracht. Hierdoor passeren neutrino's regelmatig de normale materie.
Waar neutrino's hier op aarde regelmatig worden geproduceerd door sterren en kernreactoren, werden de eerste neutrino's gevormd tijdens de oerknal. De studie van hun interactie met normale materie kan ons daarom veel vertellen over hoe het heelal in de loop van miljarden jaren is geëvolueerd. Veel wetenschappers verwachten dat de studie van neutrino's zal duiden op het bestaan van nieuwe fysica, die verder gaan dan het standaardmodel.
Hierdoor was het wetenschapsteam enigszins verrast (en misschien ook teleurgesteld) met hun resultaten. Zoals Francis Halzen - de hoofdonderzoeker van de IceCube Neutrino Observatory en professor in de natuurkunde aan de University of Wisconsin-Madison - uitlegde:
“Het begrijpen van de interactie van neutrino's is essentieel voor de werking van IceCube. We hoopten natuurlijk dat er wat nieuwe fysica zou verschijnen, maar helaas merken we dat het standaardmodel, zoals gewoonlijk, de test doorstaat.
De voor deze studie geselecteerde neutrino's waren voor het grootste deel meer dan een miljoen keer energieker dan die welke worden geproduceerd door onze zon of kerncentrales. De analyse omvatte ook enkele die astrofysisch van aard waren - d.w.z. geproduceerd buiten de atmosfeer van de aarde - en mogelijk naar de aarde zijn versneld door superzware zwarte gaten (SMBH's).
Darren Grant, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Alberta, is ook de woordvoerder van de IceCube Collaboration. Zoals hij aangaf, opent deze laatste interactie-studie deuren voor toekomstig neutrino-onderzoek. "Neutrino's hebben een vrij welverdiende reputatie om ons te verrassen met hun gedrag", zei hij. "Het is ongelooflijk opwindend om deze eerste meting en het potentieel ervan voor toekomstige precisietests te zien."
Deze studie leverde niet alleen de eerste meting op van de opname van neutrino's door de aarde, maar biedt ook mogelijkheden voor geofysische onderzoekers die hopen neutrino's te gebruiken om het binnenste van de aarde te verkennen. Aangezien de aarde in staat is om enkele van de miljarden hoogenergetische deeltjes die er routinematig doorheen gaan tegen te houden, zouden wetenschappers een methode kunnen ontwikkelen voor het bestuderen van de binnen- en buitenkern van de aarde, door nauwkeurigere beperkingen op te leggen aan hun afmetingen en dichtheden.
Het toont ook aan dat het IceCube-observatorium verder kan reiken dan zijn oorspronkelijke doel, namelijk onderzoek naar deeltjesfysica en de studie van neutrino's. Zoals deze laatste studie duidelijk laat zien, kan het ook bijdragen aan planetair wetenschappelijk onderzoek en kernfysica. Natuurkundigen hopen ook de volledige 86-snarige IceCube-array te gebruiken om een meerjarige analyse uit te voeren, waarbij nog hogere niveaus van neutrino-energieën worden onderzocht.
Zoals James Whitmore - de programmadirecteur van de natuurkunde-afdeling van de National Science Foundation (NSF) (die ondersteuning biedt voor IceCube) - aangaf, zou dit hen in staat kunnen stellen om echt te zoeken naar natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.
“IceCube is gebouwd om zowel de grenzen van de natuurkunde te verkennen als om daarmee de bestaande perceptie van de aard van het universum uit te dagen. Deze nieuwe vondst en andere die nog moeten komen, bevinden zich in die geest van wetenschappelijke ontdekking. ”
Sinds de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 weten natuurkundigen zeker dat de lange reis om het standaardmodel te bevestigen nu voltooid was. Sindsdien hebben ze hun sets verder gezet, in de hoop nieuwe fysica te vinden die enkele van de diepere mysteries van het universum zou kunnen oplossen - d.w.z. supersymmetrie, een theorie van alles (ToE), enz.
Dit, evenals het bestuderen van hoe fysica werkt op de hoogste energieniveaus (vergelijkbaar met die tijdens de oerknal), is de huidige zorg van natuurkundigen. Als ze succesvol zijn, zullen we misschien gaan begrijpen hoe dit enorme ding dat bekend staat als het universum werkt.
