Kozmička čestica pomogla je dokazati 60-godišnju teoriju o rijetkom fenomenu u fizici.
Fizičari koji proučavaju podatke zvjezdarnice IceCube Neutrino na Antarktiku primijetili su izvanredan fizički događaj. Sa statističkom preciznošću od 2,3σ, superenergijska kozmička čestica (elektron antineutrino) stupila je u interakciju s elektronom duboko u ledu Južnog pola, što je rezultiralo rijetkim fenomenom predvidjenim prije 60 godina u teoriji – glashavskom rezonantnom događaju.
Ova se pojava sastoji od rezonantnog povećanja presjeka proizvodnje W-bozona u sudaru elektrona antineutrina i elektrona kada se energija antineutrina u okviru elektronskog odmorišta približi 6,3 petaelektronvolta (PeV).
Znanstvenici su utvrdili prividnu energiju čestica nastalih u tom slučaju, koja se pokazala bliskoj željenoj, a također su odredili regiju podrijetla neutrina i ulogu pozadinskih procesa u registraciji takvog fenomena.
U budućnosti će razvijene metode omogućiti ne samo proučavanje samog Glashow rezonancijskog fenomena već i veće znanje o izvorima astrofizičkih neutrina.
Što je neutrino?
Neutrino su izuzetno lagane elementarne čestice koje vrlo slabo djeluju s materijom. Sama interakcija događa se razmjenom W- i Z-bozona s materijom – nositeljima slabe interakcije.
Neutrini mogu nastati u naizgled vrlo različitim procesima: solarni neutrini, na primjer, nastaju tijekom termonuklearne reakcije izgaranja vodika s tvorbom helija, a atmosferski neutrini – tijekom raspada piona i kaona, koji se pojavljuju kad kozmičke zrake stupe u interakciju jezgre u zraku.
Astrofizički neutrini , koji nastaju u raznim “kozmičkim akceleratorima” – objektima u svemiru koji su sposobni ubrzati čestice do izuzetno visokih energija, izdvajaju se. Potencijalni izvori astrofizičkih neutrina mogu biti, na primjer, aktivne galaktičke jezgre, eksplozije supernove i drugi izvori izbijanja gama zraka.
Svaka vrsta neutrina karakterizira ovisnost njihovog protoka o energiji – spektru. Pored samog izvora, spektar je taj koji astrofizičke neutrine razlikuje od svih ostalih – vrlo malo ih se rodi i stigne na Zemlju, a njihova energija može biti vrlo velika: do 10 20 elektron volti.
Uz to, astrofizički neutrini imaju posebno mali presjek za interakciju s materijom (reda veličine 10 -20 barna), što ih čini vrlo pogodnima za proučavanje procesa u njihovim potencijalnim izvorima.
Činjenica je da je okoliš koji okružuje potencijalne “svemirske akceleratore” vrlo gust, a svjetlosni i neutralni neutrini sposobni su ga prevladati i doći do Zemlje, a da čak ni ne odstupe pod utjecajem magnetskog polja. Odnosno, astrofizički neutrini mogu fizičarima omogućiti da neizravno proučavaju fiziku svemirskih objekata koji sudjeluju u njihovom nastajanju.
Što je Glashow rezonancija?
Još jedan zanimljiv učinak povezan je s visokoenergetskim astrofizičkim neutrinom – glashaovskim rezonantnim događajem. Teoretski je predviđen još 1959. godine, a sastoji se od rezonantnog povećanja presjeka proizvodnje W-bozona u sudaru elektrona antineutrina s elektronom kada se energija antineutrina u okviru elektronskog odmorišta približi 6,3 petaelektronvolta.
Ta je energija nedostižna za postojeće “zemaljske” akceleratore, ali je prilično dostupna njihovim kozmičkim kolegama, što znači da je rezonantna proizvodnja W-bozona moguća na Zemlji, ali uz sudjelovanje astrofizičkog neutrina.
Promatranje takvog postupka zanimljivo je ne samo kao još jedna potencijalna potvrda Standardnog modela: u njemu mogu sudjelovati samo antineutrini, što znači da bi eksperimentalno proučavanje Glashow-ove rezonance omogućilo izravnu usporedbu frakcija astrofizičkih neutrina i antineutrina.
Na mnogo je načina neutrinska zvjezdarnica IceCube stvorena samo za registraciju astrofizičkih neutrina i srodnih procesa, u kojima kubni kilometar antarktičkog leda djeluje kao radno tijelo detektora. Sadrži fotomultiplikatore koji registriraju Čerenkovljevo zračenje nabijenih čestica i njihove produkte raspada generirane interakcijom neutrina s ledom i zemljom.
https://kozmos.hr/portal-za-petu-dimenziju-predlozen-u-novoj-cestici/
Fizičari mogu odrediti smjer kretanja samog neutrina smjerom širenja zračenja u debljini leda, a prema intenzitetu tog zračenja prosuđuju o njegovoj energiji. Izgradnja zvjezdarnice završena je davne 2010. godine, a prvi neutrinski događaj registriran je još ranije – 29. siječnja 2006.
Međutim, kao što je gore spomenuto, što je veća neutrinska energija, to je manja vjerojatnost da će je registrirati, a donedavno IceCube nije mogao razlikovati u akumuliranim podacima događaje uz sudjelovanje kozmičkih čestica s dovoljno visokom energijom blizu rezonancije Glashow od 6,3 petaelektronvolta.
Sada su fizičari pronašli tragove željenog neutrina u podacima detektora za 4,6 godina rada između 2012. i 2017:
Otkrivanje kozmičke čestice i izazvane pojave
Za otkrivanje ovog događaja korišten je algoritam zasnovan na strojnom učenju koji je, za razliku od algoritama u prethodnim analizama, tražio događaje na rubu detektora, čime je neizravno povećao svoj korisni volumen. Da bi pronašli točnu energiju i smjer kretanja neutrina, fizičari su izveli Monte Carlo simulacije zabilježenog događaja, mijenjajući njegove moguće parametre.
Nakon takve simulacije utvrđeno je da se na fotodetektorima najbližim događaju signal pojavio i prije nego što su fotoni iz početnog toka čestica iz visokoenergetskog W-bozona nastali u ledenoj masi mogli doći do detektora.
Ova značajka događaja objašnjava se činjenicom da se svjetlost u ledu kreće brzinom od 2,19 × 10 8 metara u sekundi, dok se mioni, nastali u raspadu mezona u hadronskom pljusku izvornog događaja, kreću kroz led gotovo brzinom svjetlosti u vakuumu od 3 × 10 8 metara u sekundi.
Dakle, prvi registrirani fotoni bili su Čerenkovljevo zračenje upravo tih miona, a zatim su fotodetektori zabilježili zračenje iz početne kaskade čestica.
Odvajanje signala od miona koji su dospjeli u detektor i od početne kaskade čestica omogućilo je provjeru ispravnosti određivanja smjera kretanja neutrina: iz kinematičkih razmatranja trebali su letjeti u istom smjeru.
Ista su razmatranja suzila moguće područje na zvjezdanom nebu, odakle je kozmička čestica odletjela na Zemlju. Kako bi bili sigurni da je otkriveni neutrino astrofizički, fizičari su modelirali pozadinu kozmičkih miona i otkrili da oni mogu generirati samo 1,1 × 10 -7 događaja u 4,6 godina s istim odgovorom detektora.
Slični izračuni pokazali su da atmosferski neutrini u istom vremenskom razdoblju mogu dovesti samo do 2 × 10 -7 događaja, što u kombinaciji s podacima o mionima ukazuje na registraciju astrofizičkih neutrina sa statističkom točnošću od 5σ.
Uz to, znanstvenici su trebali osigurati da je zabilježeni događaj manifestacija Glashow-ove rezonancije, a ne neka druga interakcija astrofizičkog neutrina s materijom.
U ovom je slučaju glavni pozadinski proces interakcija neutrina s nukleonima interakcijom kroz nabijene struje (to jest, razmjenom virtualnih W ± -bozona). Izračuni su također uzeli u obzir interakciju kroz neutralne struje (izmjenom virtualnih Z 0-bozona).
Kao rezultat toga, Monte Carlo simulacije pokazale su da je vjerojatnost takvog pojavljivanja registriranog događaja 100 puta manja od iste vjerojatnosti za Glashow rezonanciju, za koju je modeliranje predvidjelo registraciju 1,55 događaja tijekom 4,6 godina promatranja. Odnosno, opažanje Glashow-ove rezonancije može se reći sa sigurnošću od 99 posto, odnosno 2,3σ.
Znanstvenici primjećuju da iako rad opisuje obradu samo jednog događaja, razvijene metode mogu se koristiti za buduće podatke i eksperimente, kao i za postojeće rezultate i traženje neutrina nižih energija u njima.
Osim toga, precizna registracija antineutrinskog toka, uključujući u eksperimentima velikih razmjera poput IceCube-Gen2, moći će ograničiti postojeće modele astrofizičke proizvodnje neutrina, u kojima omjer neutrinskih i antineutrinskih tokova jako ovisi o takvim parametrima izvora poput gustoće fotona, masenog spektra kozmičkih zraka i jakosti magnetskog polja.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram-t.me/kozmoshr
Izvori:
• Bryant, T. (n.d.). IceCube detector helps prove 60-year-old theory.
• Distefano, C. (2021, March 10). Giant ice cube hints at the existence of cosmic antineutrinos.
• Fuge, L. (2021, March 11). W boson spotted in Antarctica.
• The IceCube Collaboration. (2021, March 10). Detection of a particle shower at THE Glashow resonance WITH ICECUBE.
• O’Keefe, M. (2021, March 10). Icecube detection of high-energy particle proves 60-year-old physics theory.
• ScienceDaily. (2021, March 10). Icecube detection of high-energy particle proves 60-year-old physics theory.
