Ursprunget till högenergi neutrino har spårats för allra första gången och löste ett viktigt astronomiskt mysterium
För att förstå och lära sig mer energi eller materia, studiet av de mystiska subatomära partiklarna är mycket avgörande. Fysiker tittar på subatomära partiklar - neutriner – att få ytterligare förståelse för de olika händelser och processer som de har sitt ursprung i. Vi känner till stjärnor och särskilt solen genom att studera neutriner. Det finns så mycket mer att lära om universum och att förstå hur neutriner fungerar är det viktigaste steget för alla forskare som är intresserade av fysik och astronomi.
Vad är neutriner?
Neutrinos är ångformiga (och mycket flyktiga) partiklar med nästan ingen massa, ingen elektrisk laddning och de kan passera genom vilken typ av materia som helst utan någon förändring i sig själva. Neutrinos kan uppnå detta genom att motstå extrema förhållanden och täta miljöer som stjärnor, planet och galaxer. En viktig egenskap hos neutriner är att de aldrig interagerar med materien i sin omgivning och det gör dem mycket utmanande att analysera. De finns också i tre "smaker" - elektron, tau och muon och de växlar mellan dessa smaker när de oscillerar. Detta kallas för "blandnings"-fenomen och detta är det konstigaste studieområdet när man utför experiment på neutriner. De starkaste egenskaperna hos neutriner är att de har unik information om deras exakta ursprung. Detta beror främst på att neutriner är mycket energiska, de har ingen laddning och därför förblir de opåverkade av magnetfält av någon kraft. Ursprunget till neutrinos är inte helt känt. De flesta av dem kommer från solen, men ett litet antal, särskilt de som har höga energier, kommer från djupare områden plats. Detta är anledningen till att det exakta ursprunget för dessa svårfångade vandrare fortfarande var okänt och de kallas för "spökpartiklar".
Ursprunget till högenergineutrino spåras
I banbrytande tvillingstudier inom astronomi publicerade i Vetenskap, har forskare för första gången spårat ursprunget till en spöklik subatomär partikelneutrino som hittades djupt inne i isen i Antarktis efter att den rest 3.7 miljarder år till planet Jord1,2. Detta arbete uppnås genom ett samarbete mellan över 300 forskare och 49 institutioner. Högenergineutriner upptäcktes av den största IceCube-detektorn någonsin som satts upp på sydpolen av IceCube Neutrino Observatory djupt in i islagren. För att uppnå sitt mål borrades 86 hål i isen, vart och ett och en halv mil djupt, och spreds över ett nätverk av mer än 5000 ljussensorer som således täcker en total yta på 1 kubikkilometer. IceCube-detektorn, som förvaltas av US National Science Foundation, är en gigantisk detektor som består av 86 kablar som placeras i borrhål som sträcker sig upp till djup is. Detektorerna registrerar det speciella blåa ljuset som sänds ut när en neutrino interagerar med en atomkärna. Många högenergineutriner upptäcktes men de gick inte att spåra tills en neutrino med en energi på 300 biljoner elektronvolt upptäcktes framgångsrikt under en inlandsis. Denna energi är nästan 50 gånger större än energin hos protonerna som cirkulerar genom Large Hardon Collider som är den yttersta kraftfulla partikelacceleratorn på denna planet. När denna upptäckt var gjord samlade och sammanställde ett realtidssystem metodiskt data, för hela det elektromagnetiska spektrumet, från laboratorier på jorden och i plats om denna neutrinos ursprung.
Neutrinon spårades framgångsrikt tillbaka till en lysande galax känd som "blazern". Blazer är en gigantisk elliptisk aktiv galax med två jetstrålar som sänder ut neutriner och gammastrålar. Den har en distinkt supermassiv och snurrar snabbt svart hål i dess centrum och galax rör sig mot jorden runt ljusets hastighet. En av jetstrålarna i kavajen är av en flammande ljus karaktär och den pekar direkt mot jorden som ger detta galax dens namn. Blazern galax ligger till vänster om konstellationen Orion och detta avstånd är cirka 4 miljarder ljusår från jorden. Både neutriner och gammastrålar upptäcktes av observatoriet och även totalt 20 teleskop på jorden och i plats. Denna första studie1 visade upptäckten av neutriner och en andra efterföljande studie2 visade att blazern galax hade producerat dessa neutriner tidigare även 2014 och 2015. Blazern är definitivt en källa till extremt energiska neutriner och därmed även kosmiska strålar.
Banbrytande upptäckt inom astronomi
Upptäckten av dessa neutriner är en stor framgång och det kan göra det möjligt att studera och observera universum på ett oöverträffat sätt. Forskare hävdar att denna upptäckt kan hjälpa dem att spåra tillbaka, för allra första gången, ursprunget till de mystiska kosmiska strålarna. Dessa strålar är fragment av atomer som kommer ner till jorden utanför solsystemet och flammar med ljusets hastighet. De anklagas för att orsaka problem för satelliter, kommunikationssystem etc. I motsats till neutriner är kosmisk strålning laddade partiklar, så magnetiska fält fortsätter att påverka och ändra sin väg och detta gör det omöjligt att spåra deras ursprung. Kosmiska strålar har varit föremål för forskning inom astronomi under lång tid och även om de upptäcktes 1912 förblir kosmiska strålar ett stort mysterium.
I framtiden kan ett neutrinobservatorium i större skala som använder liknande infrastruktur som används i denna studie uppnå snabbare resultat och fler upptäckter kan göras för att reda ut nya neutrinoskällor. Denna studie gjord genom att registrera flera observationer och ta kännedom om data över det elektromagnetiska spektrumet är avgörande för att främja vår förståelse av universum fysikens mekanismer som styr den. Det är en utmärkt illustration av "multimessenger" astronomi som använder minst två olika typer av signaler för att undersöka kosmos vilket gör det mer kraftfullt och exakt när det gäller att göra sådana upptäckter möjliga. Detta tillvägagångssätt har hjälpt till att upptäcka kollision med neutronstjärnor och även gravitationsvågor under det senaste förflutna. Var och en av dessa budbärare ger oss ny kunskap om universum och kraftfulla händelser i atmosfären. Det kan också hjälpa till att förstå mer om de extrema händelser som inträffade för miljontals år sedan och satte ut dessa partiklar för att göra sin resa till jorden.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
1. IceCube Collaboration et al. 2018. Multibudbärarobservationer av en flammande blazar som sammanfaller med högenergineutrino IceCube-170922A. Vetenskap. 361 (6398). https://doi.org/10.1126/science.aat1378
2. IceCube Collaboration et al. 2018. Neutrinonemission från blazarens riktning TXS 0506+056 före IceCube-170922A-varningen. Vetenskap. 361 (6398). https://doi.org/10.1126/science.aat2890
***
