Στον σταθμό Amundsen – Scott South Pole στην Ανταρκτική βρίσκεται το Παρατηρητήριο IceCube Neutrino - μια εγκατάσταση αφιερωμένη στη μελέτη στοιχειωδών σωματιδίων γνωστών ως νετρίνο. Αυτή η σειρά αποτελείται από 5.160 σφαιρικούς οπτικούς αισθητήρες - Ψηφιακές Οπτικές Μονάδες (DOMs) - θαμμένοι μέσα σε ένα κυβικό χιλιόμετρο καθαρού πάγου. Προς το παρόν, αυτό το παρατηρητήριο είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής νετρίνων στον κόσμο και έχει περάσει τα τελευταία επτά χρόνια μελετώντας πώς συμπεριφέρονται και αλληλεπιδρούν αυτά τα σωματίδια.
Η πιο πρόσφατη μελέτη που κυκλοφόρησε από τη συνεργασία IceCube, με τη βοήθεια φυσικών από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας, έχει μετρήσει την ικανότητα της Γης να αποκλείει τα νετρίνα για πρώτη φορά. Σύμφωνα με το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, διαπίστωσαν ότι ενώ τρισεκατομμύρια νετρίνα διέρχονται από τη Γη (και εμείς) σε τακτική βάση, ορισμένα περιστασιακά σταματούν από αυτήν.
Η μελέτη, με τίτλο «Μέτρηση της διατομής αλληλεπίδρασης Multi-TeV Neutrino με IceCube Using Earth Absorption», εμφανίστηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Φύση. Τα αποτελέσματα της ομάδας μελέτης βασίστηκαν στην παρατήρηση 10.784 αλληλεπιδράσεων που έγιναν από υψηλής ενέργειας, ανοδικά κινούμενα νετρίνα, οι οποίες καταγράφηκαν κατά τη διάρκεια ενός έτους στο παρατηρητήριο.
Το 2013, οι πρώτες ανιχνεύσεις νετρίνων υψηλής ενέργειας έγιναν από τη συνεργασία της IceCube. Αυτά τα νετρίνα - που πιστεύεται ότι ήταν αστροφυσικά στην προέλευσή τους - βρίσκονταν στην περιοχή volt-elektron, καθιστώντας τα τα νετρίνα με την υψηλότερη ενέργεια που ανακαλύφθηκαν μέχρι σήμερα. Το IceCube αναζητά σημάδια αυτών των αλληλεπιδράσεων αναζητώντας την ακτινοβολία Cherenkov, η οποία παράγεται αφού επιβραδυνθούν τα γρήγορα κινούμενα σωματίδια με την αλληλεπίδραση με την κανονική ύλη.
Ανιχνεύοντας τα νετρίνα που αλληλεπιδρούν με τον καθαρό πάγο, τα όργανα IceCube μπόρεσαν να εκτιμήσουν την ενέργεια και την κατεύθυνση του ταξιδιού των νετρίνων. Παρά τις εν λόγω ανιχνεύσεις, ωστόσο, το μυστήριο παρέμεινε ως προς το αν κάποιο είδος ύλης θα μπορούσε να σταματήσει ένα νετρίνο καθώς ταξιδεύει στο διάστημα. Σύμφωνα με το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, αυτό είναι κάτι που πρέπει να συμβεί περιστασιακά.
Αφού παρακολούθησε τις αλληλεπιδράσεις στο IceCube για ένα χρόνο, η επιστημονική ομάδα διαπίστωσε ότι τα νετρίνα που έπρεπε να ταξιδέψουν στο πιο μακρινό πέρα από τη Γη ήταν λιγότερο πιθανό να φτάσουν στον ανιχνευτή. Όπως εξήγησε ο Doug Cowen, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας / αστροφυσικής στο Penn State, σε ένα δελτίο τύπου του Penn State:
«Αυτό το επίτευγμα είναι σημαντικό επειδή δείχνει, για πρώτη φορά, ότι τα νετρίνα πολύ υψηλής ενέργειας μπορούν να απορροφηθούν από κάτι - στην περίπτωση αυτή, τη Γη. Γνωρίζαμε ότι τα νετρίνα χαμηλότερης ενέργειας περνούν σχεδόν οτιδήποτε, αλλά παρόλο που περιμέναμε τα νετρίνα υψηλότερης ενέργειας να είναι διαφορετικά, κανένα προηγούμενο πείραμα δεν μπόρεσε να αποδείξει πειστικά ότι τα νετρίνα υψηλότερης ενέργειας θα μπορούσαν να σταματήσουν από οτιδήποτε άλλο. "
Η ύπαρξη νετρίνων προτάθηκε για πρώτη φορά το 1930 από τον θεωρητικό φυσικό Wolfgang Pauli, ο οποίος ισχυρίστηκε την ύπαρξή τους ως τρόπο εξήγησης της παρακμής του βήτα όσον αφορά τη διατήρηση του ενεργειακού νόμου. Ονομάζονται έτσι επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και αλληλεπιδρούν μόνο με την ύλη πολύ αδύναμα - δηλαδή μέσω της αδύναμης υποατομικής δύναμης και της βαρύτητας. Εξαιτίας αυτού, τα νετρίνα περνούν κανονικά από την κανονική ύλη.
Ενώ τα νετρίνα παράγονται τακτικά από αστέρια και πυρηνικούς αντιδραστήρες εδώ στη Γη, τα πρώτα νετρίνα σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης. Η μελέτη της αλληλεπίδρασής τους με την κανονική ύλη μπορεί επομένως να μας πει πολλά για το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν με δισεκατομμύρια χρόνια. Πολλοί επιστήμονες αναμένουν ότι η μελέτη των νετρίνων θα δείξει την ύπαρξη νέας φυσικής, που υπερβαίνουν το πρότυπο μοντέλο.
Εξαιτίας αυτού, η επιστημονική ομάδα ήταν κάπως έκπληκτη (και ίσως απογοητευμένη) με τα αποτελέσματά τους. Όπως εξήγησε ο Francis Halzen - ο κύριος ερευνητής του Παρατηρητηρίου IceCube Neutrino και καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν-Μάντισον:
«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα νετρίνα είναι το κλειδί για τη λειτουργία του IceCube. Φυσικά ελπίζαμε να εμφανιστεί κάποια νέα φυσική, αλλά δυστυχώς διαπιστώνουμε ότι το πρότυπο μοντέλο, όπως συνήθως, αντέχει στη δοκιμασία.
Ως επί το πλείστον, τα νετρίνα που επιλέχθηκαν για αυτήν τη μελέτη ήταν περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές πιο ενεργητικά από εκείνα που παράγονται από τους σταθμούς μας της Sun ή πυρηνικής ενέργειας. Η ανάλυση περιελάμβανε επίσης ορισμένα αστροφυσικά στη φύση - δηλαδή παράγονται πέρα από την ατμόσφαιρα της Γης - και μπορεί να έχουν επιταχυνθεί προς τη Γη από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBHs).
Ο Ντάρεν Γκραντ, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα, είναι επίσης εκπρόσωπος της Συνεργασίας IceCube. Όπως ανέφερε, αυτή η τελευταία μελέτη αλληλεπίδρασης ανοίγει πόρτες για μελλοντική έρευνα για τα νετρίνα. «Οι νετρίνοι έχουν μια αρκετά κερδοφόρα φήμη που μας εκπλήσσει με τη συμπεριφορά τους», είπε. «Είναι απίστευτα συναρπαστικό να βλέπεις αυτήν την πρώτη μέτρηση και τις δυνατότητές της για μελλοντικές δοκιμές ακριβείας.»
Αυτή η μελέτη όχι μόνο παρείχε την πρώτη μέτρηση της απορρόφησης των νετρίνων από τη Γη, αλλά προσφέρει επίσης ευκαιρίες σε γεωφυσικούς ερευνητές που ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν νετρίνα για να εξερευνήσουν το εσωτερικό της Γης. Δεδομένου ότι η Γη είναι ικανή να σταματήσει μερικά από τα δισεκατομμύρια σωματίδια υψηλής ενέργειας που περνούν συνήθως από αυτήν, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να αναπτύξουν μια μέθοδο για τη μελέτη του εσωτερικού και εξωτερικού πυρήνα της Γης, θέτοντας ακριβέστερους περιορισμούς στα μεγέθη και την πυκνότητά τους.
Δείχνει επίσης ότι το Παρατηρητήριο IceCube είναι ικανό να φτάσει πέρα από τον αρχικό του σκοπό, που ήταν η έρευνα φυσικής σωματιδίων και η μελέτη των νετρίνων. Όπως δείχνει σαφώς αυτή η τελευταία μελέτη, είναι ικανή να συμβάλει και στην έρευνα της πλανητικής επιστήμης και στην πυρηνική φυσική. Οι φυσικοί ελπίζουν επίσης να χρησιμοποιήσουν την πλήρη σειρά 86-string IceCube για να πραγματοποιήσουν μια πολυετή ανάλυση, εξετάζοντας ακόμη υψηλότερα εύρη ενεργειών νετρίνων.
Όπως ανέφερε ο James Whitmore - διευθυντής προγράμματος στο τμήμα φυσικής του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος (NSF) (που παρέχει υποστήριξη για το IceCube) - αυτό θα μπορούσε να τους επιτρέψει να αναζητήσουν πραγματικά τη φυσική που υπερβαίνει το Πρότυπο μοντέλο.
«Το IceCube δημιουργήθηκε για να εξερευνήσει τα σύνορα της φυσικής και, κάνοντας αυτό, πιθανώς να προκαλέσει τις υπάρχουσες αντιλήψεις για τη φύση του σύμπαντος. Αυτό το νέο εύρημα και άλλα που πρόκειται να έρθουν βρίσκονται σε αυτό το πνεύμα της επιστημονικής ανακάλυψης. "
Από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, οι φυσικοί γνώριζαν ότι το μακρύ ταξίδι για να επιβεβαιώσει το πρότυπο μοντέλο ήταν πλέον ολοκληρωμένο. Έκτοτε, έθεσαν τα σετ τους πιο μακριά, ελπίζοντας να βρουν νέα φυσική που θα μπορούσε να επιλύσει μερικά από τα βαθύτερα μυστήρια του Σύμπαντος - δηλαδή την υπερσυμμετρία, μια θεωρία των πάντων (ToE) κ.λπ.
Αυτό, καθώς και η μελέτη του τρόπου λειτουργίας της φυσικής στα υψηλότερα επίπεδα ενέργειας (παρόμοια με αυτά που υπήρχαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης) είναι η τρέχουσα ανησυχία των φυσικών. Εάν είναι επιτυχείς, ίσως να καταλάβουμε πώς λειτουργεί αυτό το τεράστιο πράγμα που είναι γνωστό ως Σύμπαν.
