Neutrino's zijn overvloedige subatomaire deeltjes die beroemd zijn omdat ze door alles en nog wat gaan, slechts zeer zelden interactie met materie. Elke seconde passeren ongeveer 100 biljoen neutrino's je lichaam. Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben aangetoond dat de aarde energetische neutrino's tegenhoudt - ze gaan niet door alles heen. Deze hoogenergetische neutrino-interacties werden waargenomen door de IceCube-detector, een reeks van 5, 160 optische sensoren ter grootte van een basketbal, diep ingekapseld in een kubieke kilometer zeer helder Antarctisch ijs nabij de Zuidpool.

De sensoren van IceCube nemen neutrino's niet rechtstreeks waar, maar meet in plaats daarvan flitsen van blauw licht, bekend als Cherenkov-straling, uitgezonden door muonen en andere snel bewegende geladen deeltjes, die ontstaan ​​wanneer neutrino's interageren met het ijs, en door de geladen deeltjes die worden geproduceerd wanneer de muonen op elkaar inwerken terwijl ze door het ijs bewegen. Door de lichtpatronen van deze interacties in of nabij de detectorarray te meten, IceCube kan de richtingen en energieën van de neutrino's inschatten.

De studie, gepubliceerd in het nummer van 22 november van het tijdschrift Natuur , werd geleid door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley.

Spencer Klein, die het IceCube-onderzoeksteam van Berkeley Lab leidt, merkte op:"Deze analyse is belangrijk omdat het laat zien dat IceCube een echte bijdrage kan leveren aan de deeltjes- en kernfysica, bij energieën boven het bereik van de huidige versnellers."

Sandra Miarecki, die een groot deel van de data-analyse uitvoerde terwijl ze werkte aan haar doctoraat als IceCube-onderzoeker bij Berkeley Lab en UC Berkeley, zei, "Het is een multidisciplinair idee." De analyse vereiste input van geologen die modellen van het binnenste van de aarde hebben gemaakt op basis van seismische studies. Natuurkundigen hebben deze modellen gebruikt om te helpen voorspellen hoe neutrino's in de aarde worden opgenomen.

"Je creëert 'doen alsof' muonen die de reactie van de sensoren simuleren, "Zei Miarecki. "Je moet hun gedrag simuleren, er moet een ijsmodel zijn om het gedrag van het ijs te simuleren, je moet ook kosmische stralingssimulaties hebben, en je moet de aarde simuleren met behulp van vergelijkingen. Dan moet je voorspellen waarschijnlijkheidsgewijs, hoe vaak een bepaald muon door de aarde zou komen."

De resultaten van het onderzoek zijn gebaseerd op een jaar aan gegevens van ongeveer 10, 800 neutrino-gerelateerde interacties, afkomstig van een natuurlijke aanvoer van zeer energetische neutrino's uit de ruimte die door een dikke en dichte absorber gaan:de aarde. De energie van de neutrino's was cruciaal voor de studie, aangezien hogere energie neutrino's meer kans hebben om te interageren met materie en geabsorbeerd worden door de aarde.

Wetenschappers ontdekten dat er minder energetische neutrino's waren die helemaal door de aarde naar de IceCube-detector kwamen dan van minder geblokkeerde paden, zoals degenen die binnenkomen op bijna horizontale banen. De waarschijnlijkheid dat neutrino's door de aarde worden geabsorbeerd, kwam overeen met de verwachtingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica, die wetenschappers gebruiken om de fundamentele krachten en deeltjes in het universum te verklaren. Deze waarschijnlijkheid - dat neutrino's van een bepaalde energie zullen interageren met materie - is wat natuurkundigen een 'dwarsdoorsnede' noemen.

"Begrijpen hoe neutrino's op elkaar inwerken, is de sleutel tot de werking van IceCube, " verklaarde Francis Halzen, hoofdonderzoeker van het IceCube Neutrino Observatory en een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Precisiemetingen bij de HERA-versneller in Hamburg, Duitsland, stellen ons in staat om de doorsnede van de neutrino's met grote nauwkeurigheid te berekenen binnen het standaardmodel - wat van toepassing zou zijn op IceCube-neutrino's met veel hogere energieën als het standaardmodel geldig is bij deze energieën. "We hoopten natuurlijk dat er wat nieuwe natuurkunde zou verschijnen, maar helaas vinden we dat het standaardmodel, zoals gewoonlijk, doorstaat de test, ", vult Halzen aan.

James Whitmore, programmadirecteur in de natuurkundedivisie van de National Science Foundation, zei, "IceCube is gebouwd om zowel de grenzen van de natuurkunde te verkennen als, daarbij, mogelijk bestaande percepties van de aard van het universum uitdagen. Deze nieuwe bevinding en andere die nog moeten komen, zijn in die geest van wetenschappelijke ontdekkingen."

Deze studie levert de eerste dwarsdoorsnedemetingen voor een neutrino-energiebereik tot 1, 000 keer hoger dan eerdere metingen bij deeltjesversnellers. De meeste neutrino's die voor dit onderzoek werden geselecteerd, waren meer dan een miljoen keer energieker dan de neutrino's die door meer bekende bronnen werden geproduceerd, zoals de zon of kerncentrales. Onderzoekers zorgden ervoor dat de metingen niet werden vervormd door detectorproblemen of andere onzekerheden.

"Neutrino's hebben de welverdiende reputatie ons te verrassen met hun gedrag, " zei Darren Grant, woordvoerder van de IceCube Collaboration en hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Alberta in Canada. "Het is ongelooflijk opwindend om deze eerste meting te zien en het potentieel ervan voor toekomstige precisietests."

Naast het leveren van de eerste meting van de absorptie van neutrino's door de aarde, de analyse toont aan dat het wetenschappelijke bereik van IceCube verder reikt dan de kernfocus op ontdekkingen van deeltjesfysica en het opkomende gebied van neutrino-astronomie tot op het gebied van planetaire wetenschap en kernfysica. Deze analyse zal ook geofysici interesseren die neutrino's willen gebruiken om het binnenste van de aarde in beeld te brengen, hoewel hiervoor meer gegevens nodig zijn dan in het huidige onderzoek is gebruikt.

Voor deze studie is de IceCube-samenwerking, met meer dan 300 leden van 48 instellingen in 12 landen, breidde zijn onderzoekspartnerschap uit met geologen in een nog groter multidisciplinair team.

Een dieper begrip van hoe vaak een neutrino door de aarde zal komen om uiteindelijk binnen de IceCube-detector te interageren, vereist ook gedetailleerde kennis van de Antarctische ijseigenschappen, de interactie van kosmische straling met de atmosfeer van de aarde, en hoe neutrino's interageren met materie.

De neutrino's die in deze analyse werden gebruikt, werden meestal geproduceerd wanneer waterstof of zwaardere kernen van hoogenergetische kosmische straling, gemaakt buiten het zonnestelsel, interactie met stikstof- of zuurstofkernen in de atmosfeer van de aarde. Hierdoor ontstaat een cascade van deeltjes, waaronder verschillende soorten subatomaire deeltjes die vervallen, neutrino's produceren. Deze deeltjes regenen vanuit alle richtingen op het aardoppervlak.

De analyse omvatte ook een klein aantal astrofysische neutrino's, die buiten de atmosfeer van de aarde worden geproduceerd, van kosmische versnellers die tot op heden niet zijn geïdentificeerd, misschien geassocieerd met superzware zwarte gaten.

De neutrino-interactiegebeurtenissen die voor het onderzoek werden geselecteerd, hebben energieën van ten minste één biljoen elektronvolt, of een teraelectronvolt (TeV), ongeveer de kinetische energie van een vliegende mug. Bij deze energie, de absorptie van neutrino's door de aarde is relatief klein, en de neutrino's met de laagste energie in de studie dienden grotendeels als een absorptievrije basislijn. De analyse was gevoelig voor absorptie in het energiebereik van 6,3 TeV tot 980 TeV, aan de hoogenergetische kant beperkt door een tekort aan voldoende energetische neutrino's.

Bij deze energieën elk individueel proton of neutron in een kern werkt onafhankelijk, dus de absorptie hangt af van het aantal protonen of neutronen dat elk neutrino tegenkomt. De kern van de aarde is bijzonder dicht, dus de absorptie is daar het grootst. Ter vergelijking, de meest energetische neutrino's die zijn bestudeerd bij door mensen gebouwde deeltjesversnellers, hadden energieën van minder dan 0,4 TeV. Onderzoekers hebben deze versnellers gebruikt om bundels met een enorm aantal van deze neutrino's met lagere energie op massieve detectoren te richten, maar slechts een zeer kleine fractie levert interacties op.

IceCube-onderzoekers gebruikten gegevens verzameld van mei 2010 tot mei 2011 van een gedeeltelijke reeks van 79 "strings, " elk met 60 sensoren die meer dan een mijl diep in het ijs zijn ingebed.

Gary Binder, een UC Berkeley afgestudeerde student verbonden aan Berkeley Lab's Nuclear Science Division, ontwikkelde de software die werd gebruikt om de gegevens van IceCube in een model te passen dat beschrijft hoe neutrino's zich door de aarde voortplanten.

Van dit, de software bepaalde de doorsnede die het beste bij de gegevens paste. Universiteit van Wisconsin - Madison-student Chris Weaver ontwikkelde de code voor het selecteren van de detectiegebeurtenissen die Miarecki gebruikte.

Simulaties ter ondersteuning van de analyse zijn uitgevoerd met behulp van supercomputers aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en aan het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab.

Natuurkundigen hopen nu het onderzoek te herhalen met een uitgebreide, meerjarige analyse van gegevens van de volledige 86-string IceCube-array, die in december 2010 werd voltooid, en om naar hogere bereiken van neutrino-energieën te kijken voor hints van nieuwe fysica buiten het standaardmodel. IceCube heeft al meerdere ultra-hoge-energetische neutrino's gedetecteerd, in het bereik van petaelectronvolts (PeV), die hebben een 1, 000 keer hogere energie dan die gedetecteerd in het TeV-bereik.

Klein zei, "Zodra we de onzekerheden kunnen verminderen en naar iets hogere energieën kunnen kijken, we kunnen kijken naar dingen als nucleaire effecten op de aarde, en collectieve elektromagnetische effecten."

bindmiddel toegevoegd, "We kunnen ook bestuderen hoeveel energie een neutrino overbrengt naar een kern wanneer het interageert, wat ons een nieuwe sonde van nucleaire structuur en fysica geeft die verder gaat dan het standaardmodel."

Meer gegevens zullen zowel de onzekerheden verminderen als neutrino's opleveren bij nog hogere energieën, het openen van nieuwe mogelijkheden om neutrinofysica buiten het standaardmodel te onderzoeken. Het zal wetenschappers ook in staat stellen om de grens tussen de binnenste vaste kern van de aarde en de vloeibare buitenste kern te verkennen.

Een doel op langere termijn is het bouwen van een grotere detector, waarmee wetenschappers neutrino's met nog hogere energieën zouden kunnen bestuderen. De voorgestelde IceCube-Gen2 zou 10 keer groter zijn dan IceCube. Door zijn grotere omvang zou de detector meer gegevens van neutrino's bij zeer hoge energieën kunnen verzamelen.

Sommige wetenschappers willen een nog grotere detector bouwen, 100 kubieke kilometer of meer, met behulp van een nieuwe benadering die zoekt naar pulsen van radiogolven die worden geproduceerd wanneer neutrino's met zeer hoge energie in het ijs interageren. Metingen van neutrino-absorptie door een op radio gebaseerde detector zouden kunnen worden gebruikt om te zoeken naar nieuwe fenomenen die veel verder gaan dan de fysica die in het standaardmodel wordt verantwoord, en zouden de structuur van atoomkernen gedetailleerder kunnen onderzoeken dan die van andere experimenten.

Miarecki zei, "Dit is best spannend - ik had geen interessanter project kunnen bedenken."