An der Südpolstation Amundsen-Scott in der Antarktis liegt die IceCube Neutrino-Observatorium – eine Einrichtung zur Untersuchung von Elementarteilchen, bekannt als Neutrino. Dieses Array besteht aus 5.160 sphärischen optischen Sensoren – Digital Optical Modules (DOMs) – die in einem Kubikkilometer klarem Eis vergraben sind. Dieses Observatorium ist derzeit der größte Neutrino-Detektor der Welt und hat in den letzten sieben Jahren untersucht, wie sich diese Teilchen verhalten und interagieren.
Am meisten Kürzlich durchgeführte Studie veröffentlicht von der IceCube-Kollaboration, mit Unterstützung von Physikern der Pennsylvania State University, hat zum ersten Mal die Fähigkeit der Erde gemessen, Neutrinos zu blockieren. Im Einklang mit der Standardmodell der Teilchenphysik , stellten sie fest, dass, während Billionen von Neutrinos regelmäßig die Erde (und uns) passieren, einige gelegentlich von ihr gestoppt werden.
Die Studie mit dem Titel „ Messung des Multi-TeV-Neutrino-Interaktionsquerschnitts mit IceCube unter Verwendung der Erdabsorption “, erschien kürzlich in der wissenschaftlichen ZeitschriftNatur.Die Ergebnisse des Studienteams basierten auf der Beobachtung von 10.784 Interaktionen von hochenergetischen, aufwärtsbewegten Neutrinos, die im Laufe eines Jahres am Observatorium aufgezeichnet wurden.
Das IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol. Bildnachweis: Emanuel Jacobi/NSF
Im Jahr 2013 wurden die ersten Entdeckungen von hochenergetischen Neutrinos durch die IceCube-Kollaboration durchgeführt. Diese Neutrinos – von denen angenommen wurde, dass sie astrophysikalischen Ursprungs sind – lagen im Peta-Elektronenvolt-Bereich und sind damit die Neutrinos mit der höchsten Energie, die bisher entdeckt wurden. IceCube sucht nach Anzeichen dieser Wechselwirkungen, indem es nach Cherenkov-Strahlung sucht, die erzeugt wird, nachdem sich schnell bewegende geladene Teilchen durch Wechselwirkung mit normaler Materie verlangsamt werden.
Durch den Nachweis von Neutrinos, die mit dem klaren Eis interagieren, konnten die IceCube-Instrumente die Energie und die Bewegungsrichtung der Neutrinos abschätzen. Trotz dieser Entdeckungen blieb jedoch das Rätsel, ob irgendeine Art von Materie ein Neutrino auf seiner Reise durch den Weltraum stoppen könnte oder nicht. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sollte dies gelegentlich vorkommen.
Nach einjähriger Beobachtung der Wechselwirkungen bei IceCube stellte das Wissenschaftsteam fest, dass die Neutrinos, die am weitesten durch die Erde wandern mussten, den Detektor mit geringerer Wahrscheinlichkeit erreichten. Wie Doug Cowen, Professor für Physik und Astronomie/Astrophysik am Penn State, in einem Penn State erklärte Pressemitteilung :
„Diese Leistung ist wichtig, weil sie zum ersten Mal zeigt, dass sehr energiereiche Neutrinos von etwas absorbiert werden können – in diesem Fall von der Erde. Wir wussten, dass Neutrinos mit niedrigerer Energie so ziemlich alles passieren, aber obwohl wir erwartet hatten, dass Neutrinos mit höherer Energie anders sind, konnten keine früheren Experimente überzeugend zeigen, dass Neutrinos mit höherer Energie von allem gestoppt werden können.“
Der Icetop Tank, die Neutrino-Detektoren im Herzen des IceCube Neutrino-Observatoriums. Bildnachweis: Dan Hubert
Die Existenz von Neutrinos wurde erstmals 1930 von dem theoretischen Physiker Wolfgang Pauli vorgeschlagen, der ihre Existenz postulierte, um den Beta-Zerfall im Hinblick auf die Energieerhaltungssatz . Sie werden so genannt, weil sie elektrisch neutral sind und nur sehr schwach mit Materie wechselwirken – also durch die schwache subatomare Kraft und Schwerkraft. Aus diesem Grund passieren Neutrinos regelmäßig normale Materie.
Während hier auf der Erde regelmäßig Neutrinos von Sternen und Kernreaktoren produziert werden, wurden die ersten Neutrinos während des Urknalls gebildet. Die Untersuchung ihrer Wechselwirkung mit normaler Materie kann uns daher viel darüber sagen, wie sich das Universum im Laufe von Milliarden von Jahren entwickelt hat. Viele Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Untersuchung von Neutrinos auf die Existenz einer neuen Physik hinweisen wird, die über das Standardmodell hinausgeht.
Aus diesem Grund war das Wissenschaftsteam von ihren Ergebnissen etwas überrascht (und vielleicht enttäuscht). Als Francis Halzen – Hauptforscher des IceCube Neutrino Observatory und Professor für Physik an der University of Wisconsin-Madison – erklärt :
„Zu verstehen, wie Neutrinos interagieren, ist der Schlüssel zum Betrieb von IceCube. Wir hatten natürlich gehofft, dass etwas neue Physik auftaucht, aber leider stellen wir fest, dass das Standardmodell wie immer den Test übersteht.
Blick in eine der Detektorbohrungen von IceCube. Bildnachweis: IceCube Collaboration/NSF
Die für diese Studie ausgewählten Neutrinos waren größtenteils mehr als eine Million Mal energiereicher als diejenigen, die von unseren Sonnen- oder Kernkraftwerken produziert werden. Die Analyse umfasste auch einige, die astrophysikalischer Natur waren – d. h. außerhalb der Erdatmosphäre produziert wurden – und möglicherweise durch supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) in Richtung Erde beschleunigt wurden.
Darren Grant, Physikprofessor an der University of Alberta, ist auch Sprecher der IceCube-Kollaboration. Wie er andeutete, öffnet diese neueste Interaktionsstudie Türen für die zukünftige Neutrinoforschung. „Neutrinos haben den wohlverdienten Ruf, uns mit ihrem Verhalten zu überraschen“, sagte er. „Es ist unglaublich spannend, diese erste Messung und ihr Potenzial für zukünftige Präzisionstests zu sehen.“
Diese Studie lieferte nicht nur die erste Messung der Neutrinosaufnahme der Erde, sie bietet auch Möglichkeiten für geophysikalische Forscher, die hoffen, Neutrinos zur Erforschung des Erdinneren zu verwenden. Angesichts der Tatsache, dass die Erde in der Lage ist, einige der Milliarden hochenergetischer Teilchen zu stoppen, die sie routinemäßig passieren, könnten Wissenschaftler eine Methode zur Untersuchung des inneren und äußeren Erdkerns entwickeln, die ihre Größe und Dichte genauer einschränkt.
Es zeigt auch, dass das IceCube-Observatorium in der Lage ist, über seinen ursprünglichen Zweck hinauszugehen, nämlich die Teilchenphysikforschung und die Erforschung von Neutrinos. Wie diese neueste Studie deutlich zeigt, kann sie auch zur planetarischen Forschung und zur Kernphysik beitragen. Physiker hoffen auch, das vollständige 86-String-IceCube-Array verwenden zu können, um eine mehrjährige Analyse durchzuführen und noch höhere Bereiche von Neutrinoenergien zu untersuchen.
Diese Ereignisanzeige zeigt „Bert“, eines von zwei Neutrino-Ereignissen, die bei IceCube entdeckt wurden und deren Energien ein Petaelektronenvolt (PeV) überstiegen. Bildnachweis: Berkeley Labs.
Als James Whitmore – der Programmdirektor in der Physikabteilung der National Science Foundation (NSF) (die IceCube unterstützt) – angegeben , könnte dies ihnen ermöglichen, wirklich nach Physik zu suchen, die über das Standardmodell hinausgeht.
„IceCube wurde gebaut, um sowohl die Grenzen der Physik zu erforschen als auch möglicherweise bestehende Wahrnehmungen der Natur des Universums in Frage zu stellen. Diese neue Entdeckung und andere, die noch kommen werden, entsprechen diesem Geist der wissenschaftlichen Entdeckung.“
Physiker sind sich seit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 sicher, dass der lange Weg zur Bestätigung des Standardmodells nun abgeschlossen ist. Seitdem haben sie ihre Sets weiter gesteckt, in der Hoffnung, neue Physik zu finden, die einige der tieferen Geheimnisse des Universums lösen könnte – d. h. Supersymmetrie, eine Theorie von allem (ToE) usw.
Dies sowie die Untersuchung der Funktionsweise der Physik auf den höchsten Energieniveaus (ähnlich denen, die während des Urknalls existierten) ist die aktuelle Beschäftigung der Physiker. Wenn sie erfolgreich sind, werden wir vielleicht verstehen, wie dieses massive Ding, das als Universum bekannt ist, funktioniert.
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