IceCube aptiktos aukštos energijos dalelės – „vienareikšmiškai nežemiškos kilmės“ antineutrinai

2016 metų gruodžio 6 dieną, aukštos energijos elektroninis antineutrinas įskriejo iš kosmoso į Žemę beveik šviesos greičiu, turėdamas 6,3 petaelektronvoltų energiją (1 PeV=1·10¹⁵ eV). Giliai Pietų ašigalio ledyne jis susidūrė su elektronu ir sukūrė dalelę, greitai suirusią į antrines daleles. Šią sąveiką užfiksavo IceCube neutrinų observatorija.

„Dabar galime aptikti individualius neutrinų įvykius, kurie vienareikšmiškai yra nežemiškos kilmės.“ — Christian Haack

IceCube matė Glashowo rezonansą, 1959 metais Nobelio fizikos premijos laureato Sheldono Glashowo numatytą fenomeną. Taip mokslininkai dar kartą patvirtino dalelių fizikos Standartinį modelį. Jis taip pat pademonstravo IceCube galimybes, aptikusio masės beveik neturinčius neutrinus tūkstančiais Antarktidos lede įmontuotų jutiklių, užsiimti fundamentalia fizika. Rezultatas buvo publikuotas 2021 kovo 10 dieną žurnale Nature.

Sheldonas Glashowas pirmasis pasiūlė šio rezonanso idėją 1960, postdoktorantūros studijose Niels Bohr institute Kopenhagoje, Danijoje. Ten jis parašė straipsnį kuriame numatė, kad antineutrinas (neutrino antimaterinis dvynys) gali reaguoti su elektronu ir sukurti tuomet dar neatrastą dalelę — jei tik antineutrinas būtų tinkamos energijos — rezonanso procesu.

Kuomet toji dalelė – W⁻ bozonas, – 1983 metais galiausiai buvo atrasta, paaiškėjo, kad ji gerokai masyvesnė, nei numatė Glashow su kolegomis. Glashowo rezonansui būtų reikėję maždaug 6,3 PeV energijos neutrino, beveik 1 000 energingesnio, nei gali sukurti CERN LHC. Tiesą sakant, joks esamas ar planuojamas sukurti dalelių greitintuvas tokios didelės energijos neutrino sukurti negalėtų.

Bet juk yra ir natūralių greitintuvų — kosmose? Į galaktikų centruose tūnančias supermasyvias juodąsias bedugnes krentanti medžiaga ir kiti ekstremalūs įvykiai kosmose gali generuoti tokias energingas daleles, kokių sukurti Žemėje neįmanoma. Būtent toks fenomenas tikriausiai ir sukūrė 2016 metais IceCube pasiekusį 6,3 PeV antineutriną.

„Kai Glashowas studijavo postdoktorantūroje pas Nielsą Bohrą, jis negalėjo nė įsivaizduoti, kad jo tokį neįprastą W⁻ bozono sukūrimą realizuos antineutrinas, atlėkęs iš tolimos galaktikos ir įsirėžęs į Antarktidos ledą,“ sako Francis Halzenas, IceCube palaikymo ir veikimo būstinės Wisconsin-Madison universitete fizikos profesorius, ir IceCube vyr. tyrėjas.

Nuo IceCube veikimo pradžios 2011 metų gegužę, observatorija aptiko šimtus aukštos energijos astrofizikinės kilmės neutrinų ir pateikė daug ir reikšmingų dalelių astrofizikos rezultatų, tarp kurių astrofizikinių neutrinų kitimas 2013 metais ir pirmasis astrofizikinių neutrinų šaltinio identifikavimas 2018 metais. Bet Glashowo rezonanso įvykis itin vertas dėmesio dėl jo itin aukštos energijos; tai yra vos trečias IceCube užfiksuotas įvykis, kurio energija didesnė, nei 5 PeV.

„Šis rezultatas įrodo, kad neutrinų astronomija yra įmanoma — ir IceCube tai geba, — o tai bus svarbu būsimai daugiatipei (multimessenger) kosminių dalelių fizikai,“ sako Christian Haack, RWTH Aachen absolventas, dirbęs su šia analize. „Dabar galime aptikti individualius neutrinų įvykius, kurie vienareikšmiškai nežemiškos kilmės.“

Šis rezultatas atveria naują neutrinų astronomijos skyrių, nes atskiria neutrinus nuo antineutrinų. „Ankstesni matavimai nebuvo jautrūs skirtumui tarp neutrinų ir antineutrinų, todėl šis rezultatas yra pirmasis tiesioginis astrofizikinių neutrinų srauto antineutrinų komponento išmatavimas,“ sako viena iš svarbiausių šio darbo analizatorių, analizės metu studijavusi Chiba universiteto Japonijoje postdoktorantūroje Lu Lu.

„Yra daug astrofizikinių neutrinų šaltinių savybių, kurių negalime išmatuoti, tarkime, fizikinis greitintuvo dydis ir magnetinio lauko stiprumas greitinimo regione,“ sako Tianlu Yuan, Wisconsin IceCube dalelių astrofizikos centro mokslininkas ir kitas analizuotojas. „Jei pavyktų nustatyti neutrinų ir antineutrinų santykį, galėtume šias savybes nustatyti tiesiogiai.“

Kad būtų patvirtintas aptikimas ir užtikrintai išmatuotas neutrinų santykis su antineutrinais, IceCube sandarbis nori išvysti daugiau Glashowo rezonansų. Pasiūlytu IceCube detektoriaus išplėtimu, IceCube-Gen2, mokslininkai tokius matavimus galėtų atlikti statistiškai reikšmingu lygiu. Neseniai sandarbis pranešė apie detektoriaus atnaujinimus, kurie bus atliktas per kitus kelis metus, ir taps pirmaisiais žingsniais link IceCube-Gen2.

Glashowas, dabar fizikos profesorius emeritas Bostono universitete, antrina, kad reikia aptikti daugiau Glashowo rezonanso įvykių. „Kad būtume visiškai užtikrinti, turėtume išvysti kitą tokios pačios energijos įvykį,“ sako jis. „Kol kas yra vienas, ir kad nors bus daugiau.“

Galiausiai, rezultatai pademonstravo tarptautino bendradarbiavimo vertę. IceCube naudoja daugiau nei 400 mokslininkų, inžinierių ir darbuotojų iš 12-os šalių 53 institucijų, ir tai vadinama IceCube sandarbiu. Pagrindiniai šio straipsnio duomenų analizuotojai dirbo drauge Azijoje, Šiaurės Amerikoje ir Europoje.

„Šis aptikimas yra dar vienas „pirmas“, dar kartą demonstruojantis IceCube galimybę pateikti unikalius ir reikšmingus rezultatus,“ pažymi Uppsala universiteto Švedijoje fizikos profesorė ir buvusi IceCube Collaboration atstovė Olga Botner.

„IceCube yra nuostabus projektas. Vos per kelis veikimo metus detektorius atrado tai, kam atrasti jis ir buvo skirtas — aukščiausios energijos kosminius neutrinus, potencialų jų šaltinį blazaruose ir galimybę panaudoti daugiatipei astrofizikai,“ sako Vladimir Papitashvili, dirbantis pagrindinio IceCube finansuotojo Nacionalinio mokslo fondo (NSF) Poliarinės programos biure. James Whitmore iš NSF fizikos padalinio, priduria, „Dabar IceCube stulbina mokslininkus gausiu naujų lobių srautu, kurių taip greitai netgi teoretikai nesitikėjo atrasti.“

Nuoroda: „Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube“ 10 March 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03256-1

scitechdaily.com