Op 6 dec. 2016, een hoogenergetisch deeltje, een elektron-antineutrino genaamd, raasde vanuit de ruimte naar de aarde met bijna de lichtsnelheid en droeg 6,3 peta-elektronvolt (PeV) aan energie. Diep in de ijskap op de Zuidpool, het botste tegen een elektron en produceerde een deeltje dat snel uiteenviel in een regen van secundaire deeltjes. De interactie werd vastgelegd door een enorme telescoop begraven in de Antarctische gletsjer, het IceCube Neutrino Observatorium.

IceCube had een Glashow-resonantie-evenement gezien, een fenomeen voorspeld door Nobelprijswinnaar natuurkundige Sheldon Glashow in 1960. Met deze detectie, wetenschappers gaven nog een bevestiging van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Het demonstreerde ook verder het vermogen van IceCube, die bijna massaloze deeltjes, neutrino's genaamd, detecteert met behulp van duizenden sensoren ingebed in het Antarctische ijs, fundamentele natuurkunde doen. Het resultaat is op 10 maart gepubliceerd in Natuur .

Sheldon Glashow stelde deze resonantie voor het eerst voor in 1960 toen hij een postdoctoraal onderzoeker was aan het huidige Niels Bohr Instituut in Kopenhagen. Denemarken. Daar, schreef hij een paper waarin hij voorspelde dat een antineutrino (de antimaterie-tweeling van een neutrino) zou kunnen interageren met een elektron om een ​​nog onontdekt deeltje te produceren - als de antineutrino alleen maar de juiste energie - door een proces dat bekend staat als resonantie.

Wanneer het voorgestelde deeltje, de W ^- boson, werd uiteindelijk ontdekt in 1983, het bleek veel zwaarder te zijn dan wat Glashow en zijn collega's in 1960 hadden verwacht. De Glashow-resonantie zou een neutrino vereisen met een energie van 6,3 PeV, bijna 1, 000 keer energieker dan wat de Large Hadron Collider van CERN kan produceren. In feite, geen door mensen gemaakte deeltjesversneller op aarde, huidige of geplande, zou een neutrino kunnen creëren met zoveel energie.

Maar hoe zit het met een natuurlijk versneller - in de ruimte? De enorme energieën van superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels en andere extreme kosmische gebeurtenissen kunnen deeltjes genereren met energieën die onmogelijk op aarde kunnen worden gecreëerd. Een dergelijk fenomeen was waarschijnlijk verantwoordelijk voor de 6,3 PeV antineutrino die IceCube in 2016 bereikte.

"Toen Glashow een postdoc was bij Niels Bohr, hij had nooit kunnen vermoeden dat zijn onconventionele voorstel voor het produceren van de W ^- boson zou worden gerealiseerd door een antineutrino uit een ver sterrenstelsel dat op Antarctisch ijs zou crashen, " zegt Francis Halzen, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, het hoofdkantoor van IceCube onderhoud en operaties, en hoofdonderzoeker van IceCube.

Sinds IceCube in mei 2011 volledig operationeel is geworden, het observatorium heeft honderden hoogenergetische astrofysische neutrino's gedetecteerd en heeft een aantal significante resultaten opgeleverd in de deeltjesastrofysica, inclusief de ontdekking van een astrofysische neutrinoflux in 2013 en de eerste identificatie van een bron van astrofysische neutrino's in 2018. Maar de Glashow-resonantiegebeurtenis is vooral opmerkelijk vanwege zijn opmerkelijk hoge energie; het is pas de derde gebeurtenis die door IceCube wordt gedetecteerd met een energie van meer dan 5 PeV.

"Dit resultaat bewijst de haalbaarheid van neutrino-astronomie - en het vermogen van IceCube om dit te doen - die een belangrijke rol zal spelen in de toekomstige multimessenger-astrodeeltjesfysica, " zegt Christian Haack, die aan deze analyse afstudeerde aan de RWTH Aken. "We kunnen nu individuele neutrino-gebeurtenissen detecteren die onmiskenbaar van buitenaardse oorsprong zijn."

Het resultaat opent ook een nieuw hoofdstuk in de neutrino-astronomie, omdat het neutrino's begint te ontwarren van antineutrino's. "Eerdere metingen waren niet gevoelig voor het verschil tussen neutrino's en antineutrino's, dus dit resultaat is de eerste directe meting van een antineutrino-component van de astrofysische neutrinoflux, " zegt Lu Lu, een van de belangrijkste analysatoren van dit artikel, die tijdens de analyse een postdoc was aan de Chiba University in Japan.

"Er zijn een aantal eigenschappen van de bronnen van de astrofysische neutrino's die we niet kunnen meten, zoals de fysieke grootte van de versneller en de magnetische veldsterkte in het versnellingsgebied, " zegt Tianlu Yuan, een assistent-wetenschapper bij het Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center en een andere hoofdanalysator. "Als we de neutrino-tot-antineutrino-verhouding kunnen bepalen, we kunnen deze eigenschappen direct onderzoeken."

Om de detectie te bevestigen en een beslissende meting van de neutrino-tot-antineutrino-verhouding te maken, de IceCube-samenwerking wil meer Glashow-resonanties zien. Een voorgestelde uitbreiding van de IceCube-detector, IceCube-Gen2, zou de wetenschappers in staat stellen om dergelijke metingen op een statistisch significante manier te doen. De samenwerking kondigde onlangs een upgrade van de detector aan die de komende jaren zal worden geïmplementeerd, de eerste stap naar IceCube-Gen2.

Glashow, nu emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Boston University, sluit aan bij de behoefte aan meer detecties van Glashow-resonantiegebeurtenissen. "Om helemaal zeker te zijn, we zouden nog zo'n gebeurtenis moeten zien met dezelfde energie als degene die werd gezien, "zegt hij. "Tot nu toe is er een, en op een dag zullen er meer zijn."

Tenslotte, het resultaat toont de waarde van internationale samenwerking aan. IceCube wordt beheerd door meer dan 400 wetenschappers, ingenieurs, en personeel van 53 instellingen in 12 landen, samen bekend als de IceCube-samenwerking. De belangrijkste analysatoren van dit document werkten samen in heel Azië, Noord Amerika, en Europa.

"De detectie van deze gebeurtenis is een andere 'eerste, ' waarmee nogmaals het vermogen van IceCube wordt aangetoond om unieke en uitstekende resultaten te leveren, " zegt Olga Botner, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Uppsala in Zweden en voormalig woordvoerder van de IceCube-samenwerking.

"IceCube is een prachtig project. In slechts een paar jaar de detector ontdekte waarvoor hij werd gefinancierd:de kosmische neutrino's met de hoogste energie, hun potentiële bron in blazars, en hun vermogen om te helpen bij multimessenger-astrofysica, " zegt Vladimir Papitashvili, programmamedewerker bij het Office of Polar Programs van de National Science Foundation, De primaire financier van IceCube. James Whitmore, programmamedewerker in NSF Division of Physics, voegt toe, "Nutsvoorzieningen, IceCube verbaast wetenschappers met een rijke bron aan nieuwe schatten waarvan zelfs theoretici niet hadden verwacht dat ze zo snel zouden worden gevonden."