בתחנת הקוטב הדרומי אמונדסן-סקוט באנטארקטיקה שוכן מצפה הנוי-קרינו IceCube - מתקן המוקדש לחקר חלקיקים יסודיים המכונים נייטרינו. מערך זה מורכב מ- 5,160 חיישנים אופטיים כדוריים - מודולים אופטיים דיגיטליים (DOMs) - קבורים בתוך קילומטר מעוקב של קרח צלול. נכון לעכשיו, מצפה כוכבים זה הוא גלאי הנייטרינו הגדול ביותר בעולם ובילה בשבע השנים האחרונות בחקר האופן בו חלקיקים אלו מתנהגים ומתקשרים זה עם זה.
המחקר האחרון שפורסם על ידי שיתוף הפעולה IceCube, בסיוע פיסיקאים מאוניברסיטת פנסילבניה, מדד לראשונה את יכולתו של כדור הארץ לחסום נייטרינו. בהתאם לדגם הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הם קבעו שבעוד טריליוני נייטרינו עוברים על פני כדור הארץ (ואנחנו) על בסיס קבוע, חלקם נעצרים מדי פעם על ידי זה.
המחקר, שכותרתו "מדידה של חתך האינטראקציה Multi-TeV Multi-TeV עם IceCube באמצעות ספיגת כדור הארץ", הופיע לאחרונה בכתב העת המדעי. טבע. תוצאות צוות המחקר התבססו על תצפית על 10,784 אינטראקציות שנעשו על ידי נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה כלפי מעלה, שנרשמו במהלך שנה במצפה הכוכבים.
עוד בשנת 2013, הגילויים הראשונים של נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה נעשו על ידי שיתוף פעולה עם IceCube. נייטרינו אלה - שנחשבו כמקור אסטרופיזי - היו בתחום הוולט-אלקטרונים וולט, מה שהפך אותם לנייטרינו האנרגטי הגבוה ביותר שהתגלה עד כה. IceCube מחפש סימנים לאינטראקציות הללו על ידי חיפוש אחר קרינת צ'רנקוב, המיוצרת לאחר האטת חלקיקים טעונים במהירות הנגרמת על ידי אינטראקציה עם חומר רגיל.
באמצעות איתור נייטרינים הקיימים אינטראקציה עם הקרח הצלול, מכשירי IceCube הצליחו להעריך את האנרגיה ואת כיוון הנסיעה של הנייטרינו. למרות הגילויים הללו, עם זאת, המסתורין נותר בשאלה האם חומר מסוג כלשהו יכול לעצור נייטרינו במהלך מסעו בחלל. בהתאם לדגם הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, זה דבר שצריך לקרות מדי פעם.
לאחר שצפה באינטראקציות ב- IceCube במשך שנה, מצא צוות המדע כי הנייטרינים שנאלצו לנסוע הכי רחוק מכדור הארץ נוטים פחות להגיע לגלאי. כפי שהסביר דאג קוון, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה / אסטרופיזיקה בפן סטייט, בהודעה לעיתונות של פן סטייט:
"הישג זה חשוב מכיוון שהוא מראה לראשונה כי נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד יכולים להיקלט על ידי משהו - במקרה זה כדור הארץ. ידענו כי נייטרינים בעלי אנרגיה נמוכה עוברים כמעט בכל דבר, אך למרות שציפינו כי נייטרינו באנרגיה גבוהה יותר יהיה שונה, שום ניסויים קודמים לא הצליחו להמחיש באופן משכנע שאפשר להפסיק נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה יותר על ידי כל דבר. "
קיומם של נייטרינים הוצע לראשונה בשנת 1930 על ידי הפיזיקאי התיאורטי וולפגנג פאולי, אשר הניח את קיומם כדרך להסביר את התפרקות הבטא במונחים של שמירה על חוק האנרגיה. הם נקראים כך מכיוון שהם ניטרלים חשמלית, ורק מתקשרים עם חומר בצורה חלשה מאוד - כלומר דרך הכוח התת-אטומי והחלל הכוח. בגלל זה, נייטרינים עוברים דרך חומר רגיל על בסיס קבוע.
בעוד שנייטרינו מיוצר באופן קבוע על ידי כוכבים וכורים גרעיניים כאן בכדור הארץ, הניוטרינו הראשון נוצר במהלך המפץ הגדול. מחקר האינטראקציה שלהם עם חומר רגיל יכול אפוא לספר לנו רבות על התפתחות היקום במשך מיליארדי שנים. מדענים רבים צופים כי לימוד הנייטרינים יצביע על קיומם של פיזיקה חדשה, החורגת מהמודל הסטנדרטי.
בגלל זה, צוות המדע הופתע מעט (ואולי מאוכזב) מתוצאותיו. כפי שהסביר פרנסיס הלזן - החוקר הראשי במצפה נוקרינו של IceCube ופרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון:
"ההבנה כיצד אינטראקציות מקיימות אינטראקציה היא המפתח לפעולה של IceCube. קיווינו כמובן שהופעת פיסיקה חדשה תופיע, אך לרוע המזל נגלה שהמודל הסטנדרטי, כרגיל, עומד במבחן.
לרוב, הנייטרינים שנבחרו למחקר זה היו אנרגטיים פי מיליון יותר מאלו המיוצרים על ידי תחנות הכוח השמש או הגרעין שלנו. הניתוח כלל גם כמה שהיו אסטרופיסיים באופיים - כלומר מיוצרים מעבר לאטמוספירה של כדור הארץ - וייתכן שהאיץ לכיוון כדור הארץ על ידי חורים שחורים סופר-מסיביים (SMBH).
דארן גרנט, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת אלברטה, הוא גם דובר שיתוף הפעולה של IceCube. כפי שציין, מחקר אינטראקציה אחרון זה פותח דלתות למחקר נייטרינו עתידי. "לניוטרינו מוניטין טוב מאוד שהפתיע אותנו בהתנהגותם," אמר. "מרגש להפליא לראות את המדידה הראשונה הזו ואת הפוטנציאל הטמון בבדיקות דיוק עתידיות."
מחקר זה לא רק סיפק את המדידה הראשונה לספיגת הנייטרינו של כדור הארץ, הוא גם מציע הזדמנויות לחוקרים גאופיזיים המקווים להשתמש בנייטרינו כדי לחקור את פנים כדור הארץ. בהתחשב בכך שכדור הארץ מסוגל לעצור חלק ממיליארדי חלקיקי האנרגיה הגבוהה העוברים דרכו באופן שגרתי, מדענים יכולים לפתח שיטה לחקר הליבה הפנימית והחיצונית של כדור הארץ, ולהציב אילוצים מדויקים יותר לגדלים וצפיפותם.
זה גם מראה כי מצפה הכוכבים IceCube מסוגל לחרוג ממטרתו המקורית, שהיה מחקר בפיזיקת החלקיקים וחקר הנייטרינו. כפי שמראה לאחרונה המחקר האחרון, הוא מסוגל לתרום גם למחקר מדעי פלנטה ופיזיקה גרעינית. פיזיקאים גם מקווים להשתמש במערך IceCube המלא עם 86 המיתרים כדי לבצע ניתוח רב-שנתי, ובוחן טווחים גבוהים עוד יותר של אנרגיות נויטרנו.
כפי שציין ג'יימס וויטמור - מנהל התוכנית בחטיבת הפיזיקה של הקרן הלאומית למדע (NSF) (המספק תמיכה ל- IceCube) - זה יכול לאפשר להם לחפש באמת אחר פיסיקה החורגת מהמודל הסטנדרטי.
"IceCube נבנה כדי לחקור את גבולות הפיזיקה ובכך אולי לאתגר את התפיסות הקיימות לגבי טבע היקום. הממצא החדש הזה ואחרים שעתידים לבוא נמצאים באותה רוח של גילוי מדעי. "
מאז גילויו של בוסון היגס ב -2012, הפיזיקאים היו בטוחים בידיעה כי המסע הארוך לאישור המודל הסטנדרטי היה כעת שלם. מאז, הם קבעו את התפאורה שלהם רחוק יותר, בתקווה למצוא פיסיקה חדשה שיכולה לפתור כמה מהמסתוריות העמוקות יותר של היקום - כלומר סופר-סימטריה, תיאוריה של הכל (ToE) וכו '.
זה, כמו גם לימוד כיצד הפיזיקה עובדת ברמות האנרגיה הגבוהות ביותר (בדומה לאלה שהייתה במהלך המפץ הגדול) הוא העיסוק הנוכחי של הפיזיקאים. אם הם מצליחים, אנו עשויים פשוט להבין כיצד פועל הדבר המסיבי הזה המכונה היקום.
