Detektor IceCube wykrył wysokoenergetyczne neutrina spoza Układu Słonecznego

Neutrina to cząstki elementarne, które bardzo słabo oddziałują z materią. Z tego powodu są bardzo trudne do wykrycia. Mogą przelecieć przez nasze ciała, a nawet przez całą Ziemię, bez interakcji z atomami, z których jest zbudowana.

Do wykrywania neutrin buduje się wielkie detektory. Laboratorium IceCube działa w lodach Antarktydy, w których umieszczono aż 5160 czułych detektorów, zamocowanych na 86 stalowych kablach. Komputery zbierające dane znajdują się w stacji polarnej Amundsena-Scotta na południowym biegunie geograficznym. Budowa trwała siedem lat. Pełnię swoich możliwości laboratorium uzyskało w 2011 roku.

W okresie od maja 2010 roku do maja 2012 roku detektor IceCube zarejestrował łącznie 28 neutrin o energiach większych od 30 teraelektronowoltów (TeV). Dwa z neutrin miały nawet energie przekraczające 1000 TeV, czyli więcej niż energia kinetyczna lecącej muchy. Tak wysokoenergetyczne neutrina muszą pochodzić ze źródeł znajdujących się poza Układem Słonecznym.

„Być może jesteśmy właśnie świadkami narodzin astronomii neutrinowej” powiedział dr Markus Eckermann z niemieckiego instytutu DESY, uczestniczącego w projekcie IceCube.

Naukowcy zaangażowani w badania nazwali dwa rekordowe neutrina nieoficjalnymi imionami „Ernie” oraz „Bert”. Wyniki analiz zjawisk dla tych zdarzeń opisano w czasopiśmie Physical Review Letters. Natomiast wyniki dla całej grupy neutrin będą głównym tematem najbliższego wydania „Science”.

„To bardzo ważny pomiar, gdyż jest to pierwsza obserwacja tego typu neutrin o tak dużych energiach. Do wykrycia neutrin trzeba budować bardzo wielkie detektory. Badania tych cząstek tak naprawdę zaczęły się dopiero w latach dziewięćdziesiątych. Już wcześniej próbowano badać pierwsze neutrina w latach 50. i 60., ale badania na wielką skalę to okres ostatnich dwudziestu lat” - komentuje dr Paweł Przewłocki z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), który zajmuje się fizyką neutrin.

Naukowiec opisuje także w jaki sposób zbudowano IceCube, który jest największym detektorem cząstek elementarnych na świecie. Ma objętość jednego kilometra sześciennego. Zbudowano go na bazie tego, co stworzyła natura – lodu pod biegunem południowym, w który wtopiono mnóstwo detektorów światła. Podczas budowy roztapiano cienkie kanały w lodzie na głębokość do 2 km i wpuszczano w nie detektory światła (fotopowielacze). Wszystko szybko zamarzło, ale kable przekazują sygnały od detektorów. Gdy neutrino przelatuje przez lód, oddziałując z jądrami atomów wody, produkuje wtórne cząstki, które jesteśmy w stanie zaobserwować.

Neutrina mogą powiedzieć astronomom bardzo dużo na temat bardzo energetycznych zjawisk we Wszechświecie. Cecha, która utrudnia ich wykrycie jest tutaj z kolei atutem, ponieważ łatwiej niż światło mogą uciec z bardzo gęstego otoczenia. Na przykład neutrina wyprodukowane przy wybuchu supernowej SN 1987 A, zaobserwowanej w 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, dotarły do Ziemi na trzy godziny przed błyskiem światła. Należy zaznaczyć, że obecnie wykryte neutrina mają energie miliony razy wyższe niż pochodzące od supernowej SN 1987A.

Aktualnie nie wiadomo do końca skąd mogą pochodzić takie wysokoenergetyczne neutrina. Polski naukowiec wymienia kilka istniejących hipotez. Według jednej neutrina powstają w bardzo dalekich obiektach astrofizycznych, które działają jak wielkie akceleratory cząstek naładowanych i przyspieszają je do wielkich energii (np. aktywne jądra galaktyk). Cząstki te mogą powodować później produkcję neutrin. Inna koncepcja upatruje w nich pochodną oddziaływań promieniowania kosmicznego z mikrofalowym promieniowaniem tła, będącym pozostałością po Wielkim Wybuchu.

Zespół IceCube obejmuje 260 naukowców z jedenastu krajów. W badania nie jest bezpośrednio zaangażowany żaden z polskich instytutów naukowych, jednak dr Przewłocki wskazuje, że mimo tego polscy uczeni uczestniczą w badaniach, są to Polacy pracujący w instytutach zagranicznych.

PAP - Nauka w Polsce

cza/ krf/