03.12.2016
IceCube

IceCube - ловец нейтрино

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

IceCube - это один из наиболее ярких и амбициозных проектов, стартовавший в 2010 г. на Южном полюсе. IceCube представляет собой гигантский детектор частиц в толще полярных льдов, предназначенный для ловли нейтрино — частиц, обладающих высокими энергиями, которые мало взаимодействуют с веществом, свободно проходя практически сквозь все, что встречается на пути. Исследование нейтрино важно для понимания процессов в далеком космосе, в том числе процессов рождения жестких космических лучей — высокоэнергетических заряженных частиц, постоянно бомбардирующих Землю.

IceCube - это детектор нейтрино, расположенный во льдах на Южном полюсе. Как правило, нейтрино свободно проходят сквозь вещество, не взаимодействуя с ним, но иногда при контакте с ядрами атомов льда нейтрино порождают потоки светящихся частиц, которые IceCube может обнаруживать.

Этот ледяной детектор зафиксировал десятки высокоэнергетических нейтрино, большинство из которых предположительно пришли из дальних уголков Вселенной.

Такие космические нейтрино могут помочь восстановить траекторию своего путешествия, указав, таким образом, во Вселенной области экстремально высокого энерговыделения. Подобные области могут служить источниками космических лучей сверхвысоких энергий, бомбардирующих Землю.

Ожидается, что IceCube сможет обнаруживать высокоэнергетические нейтрино довольно редко. Масса нейтрино чрезвычайно мала, они не несут электрического заряда (поэтому-то они почти не взаимодействуют с другими частицами) и летят с околосветовыми скоростями. Прибыв на Землю — издалека или из ближнего космоса, — большинство из них не задерживаются. Нейтрино продолжают путешествие, не сбившись с маршрута, прямо сквозь Землю. Если принимать во внимание такие свойства этих частиц, то нет ничего удивительного в том, что в первые несколько лет работы детектора, когда он был еще на стадии тестирования и доработок, ничего особенно интересного не было обнаружено. Однако в 2012 г. ситуация изменилась.

Однажды во время обычной видеоконференции между членами научной команды IceCube рабочие экраны компьютеров озарились вспышками, которые никогда раньше не наблюдались. Это были сигналы, порожденные двумя нейтрино с энергиями, более чем в тысячу раз превышающими энергии нейтрино, когда-либо полученные на земном ускорителе, и почти в миллиард раз превышающими энергию солнечных нейтрино. Очевидно, они были рождены в каких-то процессах, происходивших вдали от нашей планеты и сопровождавшихся мощными выбросами энергии. Событие действительно оказалось экстраординарным: пришедшие в возбуждение исследователи по предложению одного из аспирантов тут же окрестили частицы именами двух забавных кукол из международной детской программы «Улица Сезам»— Влас и Еник. Идея оказалась не только смешной, но и отчасти полезной, потому что имена легче запомнить, чем длинные строки цифр, обычно характеризующие события регистрации нейтрино.

Потребовались год работы и полная переработка методики анализа данных, чтобы исследователи полностью поверили в то, что они увидели: первые элементы изображения (так называемые пиксели) далекой нейтринной Вселенной. С тех пор было зарегистрировано в общей сложности 54 высокоэнергетических нейтрино, и многие получили имена других кукольных персонажей «Улицы Сезам»— например, одно из них, энергия которого вдвое превышала показатель для Власа и Еника, окрестили Большой Птицей.

Поймав нейтрино, исследователи задались вопросом, с какого участка неба они прибыли и какие процессы их породили. Кандидаты на роль колыбели таких частиц— это экстремальные по количеству выделенной энергии объекты, такие как сверхновые или другие типы взрывающихся звезд, для которых характерны мощные всплески гамма-излучения. И те и другие порождают космические лучи сверхвысоких энергий. Важно суметь проследить путь высокоэнергетических нейтрино до вероятных источников космических лучей, что позволит лучше понять физическую суть грандиозных космических событий.

Мощные частицы

Космические лучи, которые постоянно бомбардируют Землю из космоса, представляют собой протоны экстремально высоких энергий и другие заряженные частицы. Прошло более полувека после их открытия. Однако физические процессы, порождающие эти частицы, до сих пор неизвестны. Нет возможности указать ту область на небе, откуда частицы прибывают на Землю, потому что из-за наличия электрического заряда они отклоняются галактическими и межгалактическими магнитными полями. К счастью, согласно теории, космические лучи вместе своего рождения взаимодействуют с фотонами, порождая нейтрино.

Нейтрино в отличие от космических лучей способны указать, откуда прилетели. Это происходит потому, что нейтрино индифферентны ко всему остальному веществу и практически ничто не может исказить их траекторию движения. Таким образом, хотя сами по себе космические лучи не могут привести нас к своему источнику, высокоэнергетические нейтрино, порождаемые космическими лучами, могут это сделать за них.

У астрономов, конечно, есть гипотезы о том, как возникают космические лучи. Однако для проверки. какая из них более жизнеспособна, необходимы реальные наблюдательные данные. Один из возможных источников космических лучей — массивные звезды, находящиеся на финальной стадии эволюции. Звезды живут долго и на протяжении всей жизни поддерживают устойчивость благодаря балансу внутренних ядерных сил и сил гравитационного сжатия, но наступает период, когда все внутреннее ядерное топливо выгорает и больше не может противодействовать сжимающим звезду гравитационным силам. Происходит коллапс звезды в сверхплотную нейтронную звезду или даже в еще более плотную конфигурацию— черную дыру, от которой ничто не может ускользнуть. Кроме ярчайшей вспышки сверхновой при коллапсе (предположительно посредством ударных волн) происходит преобразование гравитационной энергии в энергию для разгона частиц. Еще в 1934 г. остатки сверхновых звезд были предложены астрономами Вальтером Бааде (Walter Baade) и Фрицем Цвикки (Frutz Zwicky) в качестве вероятных источников космических лучей. Прошло 80 лет, а это предположение до сих пор остается всего лишь обсуждаемой гипотезой. Взрывов каждые 100 лет трех сверхновых (преобразующих некоторую часть своих масс в «топливо для разгона» частиц) достаточно для объяснения наблюдаемого устойчивого потока космических лучей.

Внегалактические космические лучи, приходящие из-за пределов Млечного Пути, обладают, как правило, энергиями, превышающими энергии космических лучей от близких источников. Следовательно, внегалактические космические лучи требуют более высокоэнергетических источников для рождения. Один из претендентов — это всплески гамма-излучения. Будучи даже ярче обычных сверхновых, гамма-всплески во многом загадочны, хотя с большой вероятностью порождаются процессами коллапса некоторых звезд, обладающих сверхбольшими массами и оказавшихся в экстремальных внешних условиях.

Еще одним теоретическим источником внегалактических космических лучей могут служить ядра активных галактик— таких галактик, в центре которых находится сверхмассивная черная дыра, поглощающая огромные количества вещества. При аккреции (падении) вещества на сверхмассивную черную дыру возникают высокоскоростные струи вещества, направленные от черной дыры, которые могут стать космическими лучами.

Поймать нейтрино

Высокоэнергетические процессы в космосе порождают космическое излучение, которое в свою очередь становится «поставщиком» нейтрино. Для регистрации нейтрино 1сеСиЬе должен обладать очень большими размерами. И действительно, этот эксперимент использует кубический километр антарктического льда возрастом 100 тыс. лет, находящийся на глубине 1.5 км на Южном полюсе. Лед— превосходный природный детектор нейтрино. При очень редких событиях взаимодействия нейтрино с ядрами атомов льда происходит вспышка, распадающаяся на ливень заряженных частиц, светящихся голубым светом. Это так называемое черенковское излучение проходит сотни метров сквозь чистый сверхпрозрачный лед. IceCube оснащен 5160 оптическими сенсорами, распределенными по всему объему ледяного куба для обнаружения такого излучения.

Датчики позволяют уловить в мельчайших деталях распределение свечения, которое появляется вследствие прохождения нейтрино. С помощью таких следов можно определить не только тип (или «аромат») пришедшего нейтрино, но и его энергию и направление прихода. Энергии Власа и Еника, а также других нейтрино, которые удалось таким образом наблюдать, оказались огромными, никогда раньше не регистрируемыми — порядка петаэлектронвольта (ПэВ). или 1015эВ: для Еника— 1,09 ПэВ. для Власа— 1,24 ПэВ. Сравните: пучки частиц, исследуемые на самом мощном в мире ускорителе заряженных частиц Большом адронном коллайдере (БАК), обладают энергиями порядка тераэлектронвольта (ТэВ), т.е. 1012 эВ. Энергетические возможности БАК на три порядка ниже, чем у IceCube. Световые вспышки примерно 100 тыс. фотонов, порожденных Власом и Еником, протягиваются более чем на 500 м.

Важно отметить, что энергии Власа и Еника порядка 1 ПэВ сигнализируют о том, что эти частицы обязательно должны быть частью какого-то космического сигнала. Для близлежащих источников энергетическая шкала сигнала слишком высока. Местных нейтрино полным-полно: каждые шесть минут 1сеСиЬе детектирует нейтрино, образовавшееся при взаимодействии космических лучей с водородом и кислородом земной атмосферы. Но эти частые гости, будучи рожденными очень близко от нас, совершенно бесполезны в качестве источников информации о космических лучах или природе астрофизических явлений. Не следует вообще уделять им внимание, поскольку они досконально изучены в других экспериментах.

Таким образом, можно быть совершенно уверенными, что высокоэнергетические нейтрино, регистрируемые 1сеСиЬе, приходят из дальнего космоса. И приходят они из тех же источников, что и космические лучи. Однако возможны и более экзотические варианты объяснения происхождения таких нейтрино. Например, они могут быть следами темной материи, не видимого телескопами типа вещества, составляющего более 80% всего вещества Вселенной. Это предположение выглядело бы реалистично, если бы темная материя состояла из очень тяжелых частиц со средним временем жизни, превышающим возраст Вселенной. В таком сценарии частицы темной материи могли бы иногда распадаться, производя нужное (очень небольшое) количество наблюдаемых высокоэнергетических нейтрино.

Подсчитывая нейтрино

До открытия нейтрино с энергиями порядка 1 ПэВ проект IceCube был ориентирован почти исключительно на поиски космических нейтрино определенного аромата — так называемых мюонных нейтрино (всего известно три типа, или аромата, нейтрино: мюонное, электронное и таонное). Считается, что нейтрино всех трех типов приходят на Землю в равных пропорциях, но некоторые из них легче обнаруживать по производимым ими сигналам на детекторе. Изначально 1сеСиЬе был оптимизирован для поиска мюонных нейтрино. сталкивавшихся с ядрами атомов в основном за пределами границ детектора, порождая световые следы километровой длины, которые могли тянуться через весь объем детектора. Технология регистрации позволила существенно расширить области «сбора» нейтрино, увеличив рабочий объем до размеров, превосходящих сам детектор. Однако при этом увеличилась и степень «загрязнения» данных посторонними частицами, отличными от космических нейтрино. Пришлось применять дополнительные меры для возможности отсеивать нужные сигналы на паразитном фоне.

Параллельно шли и другие исследования, ориентированные на поиск специального класса нейтрино, обладающих экстремально большими энергиями. так называемых нейтрино Грайзена— Зацепина — Кузьмина (ГЗК-эффект). Такие нейтрино рождаются при взаимодействиях космических лучей и фотонов микроволнового реликтового излучения. (Напомним, что микроволновое реликтовое излучение — это излучение порядка ЗК самых первых фотонов, которые стали распространяться свободно в ранней горячей Вселенной, прошедшей состояние плазмы. — Примеч. пер.) ГЗК-нейтрино способны достигать колоссальных энергий порядка эксаэлектронвольт (ЭэВ).

Поиск ГЗК-нейтрино происходил в ограниченной части IceCube , в его внутренней половине, оставляя меньше возможностей для шумовых вкладов. Преимущество такого ограничения в том, что становится возможным измерять полную энергию каждого нейтрино с точностью 10-15%. Это существенное улучшение измерений по сравнению с теми, которые проводятся вне детектора. На IceCube ГЗК-нейтрино пока не обнаружены, зато удалось найти множество нейтрино всех трех типов.

Со времен открытия нейтрино Власа и Еника было обнаружено много космических нейтрино тем же самым методом и методом по поиску мюонных нейтрино. В первый год были детектированы 26 нейтрино с энергиями от 30 до 1,2 тыс. ТэВ, что в сумме с Власом и Еником составило 28 штук. Такое количество значимо превосходит (говоря языком математической статистики, «на четыре стандартных отклонения») допустимые отклонения от всех возможных событий по регистрации атмосферных нейтрино, что означает высокую вероятность (больше 99,9%) прихода этих частиц именно из глубокого космоса. Второй год наблюдений пополнил список «гостей». Суммарное количество нейтрино за два года составило 54, что увеличило статистическую значимость сигнала до пяти стандартных отклонений, а это с точки зрения математической статистики говорит об «открытии», т.е. об уверенном обнаружении сигнала от космических нейтрино.

Где же именно были рождены все эти высокоэнергетические нейтрино? Имеющиеся на сегодняшний момент события обнаружения нейтрино, к сожалению, пока дают не слишком репрезентативную выборку Другим словами, пока таких нейтрино слишком мало для убедительного ответа на поставленный вопрос. Похоже, место их обитания не ограничивается нашей Галактикой. На карте неба, где прочерчены их траектории, наблюдаются только незначительные совпадения направлений прибытия с плоскостью Галактики. Большая часть нейтрино приходят с направлений, далеких от плоскости Галактики, и, скорее всего, имеют внегалактическое происхождение. Тем не менее есть отдельные превышения среднего числа нейтрино, приходящих от плоскости Галактики. Влас, по-прежнему один из самых высокоэнергетических отловленных нейтрино, испущен из направления в пределах одного градуса от центра Галактики. Нельзя сказать наверняка, в чем причина высокоэнергетических процессов в этой области неба, однако вполне точно известно, что в центральных областях Галактики довольно близко друг от друга содержатся остатки сверхновых, а кроме того, гигантская черная дыра. Таким образом, возможных источников высокоэнергетических нейтрино в такой густонаселенной области довольно много.

Ученые надеются получить более полное представление о месте образования нейтрино с помощью планомерного сбора информации о достигающих Земли мюонных нейтрино. В ледяном детекторе эти частицы показывают себя светящимися линиями километровой длины, и поэтому направление их прихода может быть восстановлено с точностью выше 0.50. Полученная карта всех траекторий может показать, откуда идут космические лучи. Если эти направления пересекутся с направлениями на известные объекты на небе, яркие галактики, содержащие активные ядра или вспышки гамма-излучения, то, возможно, удастся выявить источники космических лучей.

IceCube еще только начал работу: его ориентировочные сроки эксплуатации — 20 лет или более. Однако уже сейчас ученые задумываются о его «сиквеле». Речь идет о детекторе будущего, объем которого в десять раз превысит объем существующего IceCube. Чем больше детектор, тем больше нейтрино он сможет поймать. Большие количества регистрируемых событий позволят указать, откуда прибыли они сами и породившие их космические лучи.

Автор: Фрэнсис Халзен (Francis Halzen) — исследователь в области физики частиц, астрофизики и космологии. Работает в Висконсинском университете в Мадисоне. Руководитель проекта IceCube.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Наш сайт посвящен новостям в сфере высоких технологий, а также инноваций в мире интернета, автопромышленности.

Представлены материалы по развитию технологических компаний и стартапов. Интересным будет информация по настройке и хакингу гаджетов и устройств на Android, Apple iOS и прочее. Покажем как правильно выбирать устройства для покупок.

В процессе наших экспериментов с сайтами по оптимизации и настройке, в рубрике Вебмастер Мы делимся своим опытом в том как создать свой сайт на популярных платформах Joomla, Wordpress, настроить его и оптимизировать.

Самые популярные метки