Теперь, в критическом измерении, которое может однажды помочь предсказать новую физику вне Стандартной Модели физики элементарных частиц – модель, которая стремится объяснить фундаментальные силы вселенной – международная команда исследователей с Обсерваторией Нейтрино IceCube показала, как энергичные нейтрино могут быть полностью прекращены, поскольку они проходят через Землю.О новом измерении сообщают в журнале Nature Сотрудничество IceCube, международный консорциум ученых, использующих обсерваторию, чтобы исследовать нейтрино и что это может сказать нам о вопросе и природе вселенной.Нейтрино среди самых богатых частиц в космосе. С почти никакой массой и бесплатно, они редко взаимодействуют с вопросом.
Десятки триллионов курса нейтрино через наши тела каждую секунду.Время от времени, однако, высокоэнергетические нейтрино взаимодействуют с протонами или нейтронами и поглощены. Теория предсказывает, что в высоких энергиях – выше, чем может быть произведен любым земным ускорителем частиц – нейтрино, как могут ожидать, будут взаимодействовать с вопросом и будут поглощены Землей вместо того, чтобы продолжить проходить через космос.«Мы всегда говорим, что никакая частица, но нейтрино не может пройти Землю», объясняет Фрэнсис Хэлзен, преподаватель Висконсинского университета в Мадисоне физики и научный руководитель IceCube. «Однако у нейтрино действительно есть крошечная вероятность, чтобы взаимодействовать, и эта вероятность увеличения с энергией».
Та вероятность, Хэлзен добавляет, то, что ученые называют поперечным сечением нейтрино.Новое измерение определяет поперечное сечение для энергий нейтрино между 6.3 TeV и 980 TeV, энергетические уровни больше, чем порядок величины выше, чем предыдущие измерения. (Один TeV или teraelectronvolt – энергия обращения протона в Tevatron, теперь закрытом ускорителе частиц в Fermilab, который когда-то продвинул протоны вокруг четырехмильной окружности кольца акселератора с почти скоростью света.) Самые энергичные нейтрино, изученные так далеко от земных акселераторов, на 0.4 энергетических уровнях TeV.Ловление, когда нейтрино поглощены, поскольку они сталкиваются с другими частицами по своей природе, требует крупного датчика, такого как поддержанная национальным научным фондом Обсерватория IceCube, множество 5 160 датчиков размера баскетбола, включенных в кубический километр совершенно прозрачного льда миля ниже географического Южного полюса.
IceCube не видит нейтрино непосредственно, но обнаруживает и делает запись мимолетного взрыва радиации Черенкова – полосы синего света – который заканчивается, когда случайное нейтрино врезалось в другую частицу.Анализируя год данных IceCube, собранных между маем 2010 и маем 2011, сотрудничество поместило 10 800 взаимодействий нейтрино под микроскопом, обратив пристальное внимание на самые энергичные нейтрино что курс через Землю от всех направлений. Нейтрино произведены во множестве явлений, в пределах от солнца и ядерных реакторов к группам галактик и атмосферы Земли, поскольку космические лучи взаимодействуют с азотом и кислородом.
Новое исследование посмотрело главным образом на нейтрино, созданные, когда высокоэнергетические космические лучи врезались в ядра азота или кислорода в атмосфере Земли. Те столкновения производят каскад субатомных частиц, которые могут произвести нейтрино. Образец также включал меньшее число нейтрино, вероятно, созданных во все же будущих определенных космических акселераторах, таких как черные дыры.
Команда IceCube нашла, что меньше самых энергичных нейтрино добиралось до датчика от северного полушария, где частицы должны будут пройти через всю Землю, включая плотное ядро нашей планеты, прежде, чем достигнуть датчиков IceCube. От менее затрудненных, близких горизонтальных траекторий было обнаружено больше нейтрино.Новое измерение IceCube соответствует Стандартной Модели физики элементарных частиц, которая является рабочей теорией, которая помогает объяснить фундаментальные силы на работе во вселенной, а также свойствах и поведениях семьи частиц, включая нейтрино, которые составляют весь вопрос.«В отсутствие новой физики Стандартная Модель позволяет нам вычислять поперечное сечение протона нейтрино в энергиях, исследованных IceCube», отмечает Хэлзен. «Что мы измеряем, последовательно – до сих пор – с тем, что ожидается.
Мы, конечно, надеялись на некоторую новую физику появиться, но мы, к сожалению, находим, что Стандартная Модель, как обычно, противостоит тесту».Однако Хэлзен добавляет, преимущество IceCube – своя способность измерить самые высокие энергетические нейтрино, которые произведены в космических акселераторах – суперкрупных черных дырах, сильных сердцах формирующих звезду галактик, и скоплениях галактик – которому не может соответствовать никакой акселератор на Земле.Если, например, данные IceCube питают доказательства нейтрино с поперечными сечениями, больше, чем, какие ученые вычислили использование Стандартной Модели, это могло призвать новую физику, такую как компактные, скрытые пространственные размеры.
«Мой любимый пример (новой физики) – то, что может быть больше чем три космических размеров», говорит Хэлзен. «Вы можете устроить теорию так, чтобы мы не знали бы о дополнительных размерах, но 100 нейтрино TeV будут, и это заставило бы их поперечное сечение увеличиться вне того, что мы вычисляем в Стандартной Модели».Новое исследование также предполагает, что датчик IceCube мог бы расширить свою научную досягаемость вне сферы астрофизики к геонауке. С большими объемами выборки геофизики могут быть в состоянии использовать нейтрино для интерьера Земли изображения.
Хэлзен говорит, что команда IceCube только начинает работать в течение многих лет накопленных данных Антарктической обсерватории. «У нас есть больше чем семь лет данных в банке с законченным датчиком; поэтому, мы поставим намного более точное измерение в будущем».