60 let stará fyzikální teorie, prokázaná detekcí vysokoenergetických částic IceCube

Elektronové antineutrino, které způsobilo rezonanci skleněné show, projelo značnou vzdálenost, než dosáhlo IceCube. Tato grafika ukazuje jeho cestu; Modrá tečkovaná čára je cestou antineutrina. (Není v měřítku.) Obrazový kredit: IceCube Collaboration

6. prosince 2016 vystřelila vysokoenergetická částice z vesmíru na Zemi téměř rychlostí světla. Částice, elektronové antineutrino, zasáhla elektron hluboko v ledové vrstvě na jižním pólu. Tato kolize vytvořila částice, která se rychle rozpadla na spršku sekundárních částic a spustila senzory Neutrino observatoře IceCube, masivního dalekohledu pohřbeného v antarktickém ledovci.

IceCube zažil událost rezonance skleněné show, což je jev předpovídaný nositelem Nobelovy ceny Sheldonem Glashowem v roce 1960. Tímto objevem vědci znovu potvrdili Standardní model částicové fyziky. Schopnost IceCube detekovat prakticky nehmotné částice zvané neutrina pomocí tisíců senzorů zabudovaných v antarktickém ledu byla také prokázána v základní fyzice. Výsledek byl zveřejněn 10. března 2021 v Příroda.

Sheldon Glashow poprvé navrhl tuto odpověď v roce 1960, kdy byl postdoktorandem na dnešním institutu Nielse Bohra v dánské Kodani. Tam napsal článek, ve kterém předpovídal, že antineutrino – dvojče antihmoty neutrina – by mohlo interagovat s elektronem a vytvořit dosud neobjevenou částici procesem známým jako rezonance. Klíčem bylo, že antineutrino muselo mít přesnou energii, aby vytvořilo tuto rezonanci.

Schéma observatoře Neutrino IceCube

Schematické znázornění části IceCube v ledu, která obsahuje 86 řetězců obsahujících 5160 světelných senzorů uspořádaných v trojrozměrné šestihranné mřížce. Fotografický kredit: IceCube Collaboration

Když byla navrhovaná částice, W mínus boson, konečně objevena v roce 1983, ukázalo se, že je mnohem těžší, než to, co Glashow a jeho kolegové očekávali v roce 1960. Skleněná rezonance by vyžadovala neutrino s energií 6,3 petaelektronových voltů. téměř 1000krát energičtější než co CERNVelký hadronový urychlovač je schopen vyrábět. Žádný urychlovač částic vyrobený na Zemi, ani současný, ani plánovaný, nemůže generovat neutrino s tolika energií.

Obrovské energie supermasivních černých děr v centrech galaxií a jiných extrémních kosmických událostí však mohou produkovat částice s energiemi, které nelze na Zemi vyrobit. Takový jev byl pravděpodobně zodpovědný za antineutrino, které se dostalo na IceCube v roce 2016 a proniklo na Zemi s energií 6,3 PeV – přesně jak předpověděla Glashowova teorie.

„Když byl Glashow postdoktorem s Nielsem Bohrem, nikdy by si nepředstavoval, že jeho nekonvenční návrh na výrobu bosonu W-minus bude realizován antineutrinem ze vzdálené galaxie narážející na led Antarktidy,“ říká Francis Halzen , Hlavní výzkumný pracovník společnosti IceCube a profesor fyziky na University of Wisconsin-Madison, ústředí pro údržbu a provoz IceCube.

Událost IceCube Neutrino: Hydrangea

Vizualizace události skleněné show zaznamenaná detektorem IceCube. Každý barevný kruh zobrazuje senzor IceCube, který byl spuštěn událostí. Červené kruhy označují dříve spuštěné senzory a zeleno-modré kruhy označují později spuštěné senzory. Tato událost se jmenovala „hortenzie“. Fotografický kredit: IceCube Collaboration

Od doby, kdy IceCube zahájil plný provoz v květnu 2011, objevila observatoř stovky vysokoenergetických astrofyzikálních neutrin a dosáhla řady významných výsledků v částicové astrofyzice, včetně objevu astrofyzikálního toku neutrin v roce 2013 a první identifikace zdroje astrofyzikálního neutrina v roce 2018. Rezonanční událost ve skleněné výstavě je pozoruhodná svou extrémně vysokou energií. Je to teprve třetí událost rozpoznaná IceCube s energií vyšší než 5 PeV.

Tohoto výsledku bylo dosaženo ve spolupráci s týmem tří vědců: Lu Lu z Chiba University v Japonsku, nyní na UW-Madison, Tianlu Yuan z UW-Madison a Christian Haack z RWTH Aachen, nyní na TU Mnichov.

Detekce rezonance na skleněné výstavě je prvním samostatným neutrinem, u kterého bylo prokázáno, že má astrofyzikální původ. Ukazuje také jedinečné příspěvky IceCube k multimessenger astrofyzice, kde světlo, částice a Gravitační vlny studovat vesmír. Výsledek také otevírá novou kapitolu astronomie neutrin, protože začíná rozmotávat neutrina od antineutrin.

“Předchozí měření nebyla citlivá na rozdíl mezi neutriny a antineutriny.” Proto je tento výsledek prvním přímým měřením antineutrinové složky astrofyzikálního toku neutrin, “říká Lu, jeden z hlavních analyzátorů tohoto článku.

„Existuje celá řada vlastností astrofyzikálních zdrojů neutrin, které nemůžeme měřit, například fyzická velikost urychlovače a síla magnetického pole v oblasti zrychlení,“ uvedl Yuan, vědecký pracovník ve Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center a jiný hlavní analyzátor. „Pokud můžeme určit poměr neutrin k antineutrinům, můžeme tyto vlastnosti zkoumat přímo.“

Výsledek také ukazuje hodnotu mezinárodní spolupráce. IceCube provozuje více než 400 vědců, inženýrů a zaměstnanců z 53 institucí ve 12 zemích, souhrnně označovaných jako IceCube Collaboration. Hlavní analyzátoři tohoto článku spolupracovali v Asii, Severní Americe a Evropě.

Abychom potvrdili důkazy a rozhodně změřili poměr neutrin k antineutrinům, společnost IceCube Collaboration by chtěla vidět více rezonancí skleněných show. Navrhované rozšíření detektoru IceCube-Gen2 by vědcům umožnilo provádět tato měření statisticky významným způsobem. Spolupráce nedávno oznámila upgrade detektoru, který bude implementován v příštích několika letech. Toto je první krok k IceCube-Gen2.

Glashow, nyní emeritní profesor fyziky na Bostonské univerzitě, potvrzuje potřebu přesněji zaznamenávat své eponymní rezonanční události.

„Abychom si byli naprosto jisti, měli bychom vidět další takovou událost se stejnou energií, jako byla ta, která byla viděna,“ říká. „Jeden zatím existuje a jednoho dne jich bude více.“

Další informace o tomto výzkumu najdete v části Detekce ledové kostky vysokoenergetické částice.

Odkaz: „Detekce částicové sprchy během rezonance skleněné show s IceCube“ od The IceCube Collaboration, 10. března 2021, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03256-1

Tato práce byla částečně podpořena Národní vědeckou nadací (granty OPP-1600823 a PHY-191360).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.