Ξεκινά η εποχή της αστρονομίας των νετρίνων, IceCube pushes neutrinos to the forefront of astronomy

Mια αλληλεπίδραση νετρίνου 250 TeV με τον ανιχνευτή IceCubeA 250 TeV neutrino interaction in IceCube. At the neutrino interaction point (bottom), a large particle shower is visible, with a muon produced in the interaction leaving up and to the left. The direction of the muon indicates the direction of the original neutrino.

Τα νετρίνα είναι σωματίδια που πιστεύεται ότι δημιουργήθηκαν στη Μεγάλη Έκρηξη που γέννησε το Σύμπαν και έκτοτε ταξιδεύουν στο Διάστημα με ταχύτητες κοντινές σε αυτές του φωτός. Νετρίνα δημιουργούνται επίσης μέσα σε βίαιες κοσμικές διεργασίες και φαινόμενα. Μέχρι την δεκαετία του 1980 οι επιστήμονες δεν είχαν καταφέρει να εντοπίσουν νετρίνα με καταγωγή εκτός του ηλιακού μας συστήματος.

Το 1987 εντοπίστηκαν κάποια εξωηλιακά νετρίνο ενώ χρειάστηκε να φτάσουμε στον περασμένο Απρίλιο για να εντοπιστούν δύο ακόμη. Ένας τόσο «φτωχός» αριθμός δεν ήταν ωστόσο ικανός να βοηθήσει στην επιστημονική διερεύνηση κοσμικών φαινομένων που συνδέονται με τα σωματίδια αυτά. Τώρα όμως  ερευνητές στην Ανταρκτική υποστηρίζουν ότι εντόπισαν 28 κοσμικά νετρίνα τα οποία όπως φαίνεται μπορούν να φωτίσουν διάφορα κοσμικά φαινόμενα. Η ανακάλυψη χαιρετίστηκε διεθνώς ως μία από τις σημαντικότερες στη σωματιδιακή φυσική. Πολλοί ειδικοί μάλιστα κάνουν λόγο για την έναρξη μιας νέας εποχής ή καλύτερα για τη δημιουργία ενός νέου επιστημονικού κλάδου, της «αστρονομίας των νετρίνων» όπως την ονομάζουν.

Τα νετρίνα

A computer reconstruction of a downward-moving cosmic ray muon (an elementary particle similar to an electron) track, observed in the IceCube Neutrino Detector. The colored dots represent light sensors that detected photons emitted by the muon as it traversed the ice near the sensors. The size of the dots is proportional to the number of photons detected by the sensor, while the different colors indicate the time of detection of the photons, and consequently the direction of the muons movement. (The red sensors detected the track, and then the yellow, and then green, following the rainbow.) The track in the ice in the lower portion of the picture is close to one kilometer in length. Neutrinos are produced by the decay of radioactive elements and elementary particles such as pions. Unlike other particles, neutrinos are antisocial and difficult to trap in a detector. It is the feeble interaction of neutrinos with matter that makes them uniquely valuable as astronomical messengers. Unlike photons or charged particles, neutrinos can emerge from deep inside their source and travel across the universe without interference. They are not deflected by interstellar magnetic fields and are not absorbed by intervening matter. However, this same trait makes cosmic neutrinos extremely difficult to detect; immense instruments are required to find them in sufficient numbers to trace their origin. Although trillions of neutrinos stream through your body every second, none may leave a trace in your lifetime.

Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια που δημιουργούνται κατά τη ραδιενεργό διάσπαση, δηλαδή κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων όπως αυτές που συντελούνται στο εσωτερικό των άστρων και στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Δημιουργούνται επίσης κατά την αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων με άτομα ύλης.

Τα περισσότερα νετρίνα που φθάνουν στη Γη προέρχονται από τον Ήλιο. Το πρόβλημα με τα συγκεκριμένα σωματίδια έγκειται κυρίως στο ότι είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν γιατί αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη και επιπλέον κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Ορισμένα νετρίνα έχουν πολύ μεγαλύτερη ενέργεια, καθώς προέρχονται από πολύ πιο μακρινές και ισχυρές πηγές σε σχέση με τον Ήλιο, όπως από εκρήξεις ακτίνων γάμμα σε άλλους γαλαξίες, μαύρες τρύπες και ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (κβάζαρ), γι’ αυτό και λέγονται «κοσμικά νετρίνα». Η παρατήρηση αυτών των μακρινών «αγγελιαφόρων» μπορεί να ρίξει περισσότερο φως στα πιο βίαια γεγονότα του Σύμπαντος.

Εντοπισμός στους πάγους

O ανιχνευτής του IceCube μέσα στους πάγους εντόπισε 28 νετρίνα προκαλώντας ενθουσιασμό στην επιστημονική κοινότητα. Digital Optical Modules View of signal cables from strings of Digital Optical Modules extending down into the ice, part of the IceCube Neutrino Detector. Elusive particles, called neutrinos, will be detected arriving from distant astrophysical sources and carrying information about those sources, just as rays of light reveal objects to conventional telescopes. The IceCube Neutrino Detector is a neutrino telescope currently under construction at the South Pole. Like its predecessor, the Antarctic Muon and Neutrino Detector Array (AMANDA), IceCube is being constructed in deep Antarctic ice by deploying thousands of spherical optical sensors (photomultiplier tubes, or PMTs) at depths between 1,450 and 2,450 meters. The sensors are deployed on "strings" of sixty modules each, into holes in the ice that is melted using a hot water drill. The data that IceCube will collect will also contribute to our understanding of cosmic rays, supersymmetry, weakly interacting massive particles (WIMPS), and other aspects of nuclear and particle physics.

Το IceCube είναι ένα παρατηρητήριο που βρίσκεται στο ερευνητικό κέντρο Σκοτ-Αμούνδσεν κοντά στον Νότιο Πόλο και θεωρείται ένα είδος «CERN των πάγων». Στα ερευνητικά προγράμματα του IceCube συμμετέχουν 260 επιστήμονες από 11 χώρες (ΗΠΑ, Βρετανία, Γερμανία, Σουηδία, Βέλγιο, Ελβετία, Ιαπωνία, Καναδάς, Ν. Ζηλανδία, Αυστραλία και Ν. Κορέα).

The Ice Cube Lab.

O ανιχνευτής του IceCube δεν βρίσκεται ούτε στο Διάστημα, ούτε καν στην επιφάνεια της Γης, αλλά αντίθετα βαθιά στο υπέδαφος. Καταλαμβάνει όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου κάτω από τους πάγους (εξ ου και το όνομά του) και περιλαμβάνει 5.160 ψηφιακούς οπτικούς αισθητήρες βυθισμένους με 86 χαλύβδινα καλώδια μέσα σε τρύπες που έχουν βάθος 1,5 έως 2,5 χλμ. κάτω από την επιφάνεια του πάγου.

Όταν κάποιο νετρίνο τύχει να αλληλεπιδράσει με κάποιον ατομικό πυρήνα, τότε ο αισθητήρας καταγράφει τη σύγκρουση σαν μια «χιονοστιβάδα» άλλων σωματιδίων που εκπέμπουν φως. Όσο πιο έντονο είναι το παραγόμενο φως, τόσο υψηλότερης ενέργειας είναι το νετρίνο που πιάνεται στα παγωμένα δίχτυα του IceCube.

Εύρηκα!

The IceCube Laboratory at the Amundsen-Scott South Pole Station, in Antarctica, hosts the computers collecting raw data. Only events selected as interesting for physics studies are sent to UW–Madison, where they are prepared for use by any member of the IceCube Collaboration. Sven Lidstrom. IceCube/NS

Aπό το 2011 οι επιστήμονες του IceCube προσπαθούν να «συλλάβουν» κάποιο από τα κοσμικά νετρίνα. Μετά από πολλές αποτυχίες και απογοητεύσεις εντόπισαν τον περασμένο Απρίλιο δύο κοσμικά νετρίνα και τώρα άλλα 28.

«Πρόκειται για τεράστιο εύρημα. Μπορεί να σηματοδοτεί τη ξεκίνημα της αστρονομίας νετρίνων», δήλωσε ο Ντάρεν Γκραντ, καθηγητής Φυσικής του καναδικού Πανεπιστημίου της Αλμπέρτα και ένας από τους επικεφαλής του IceCube.

Τα 28 νετρίνα που «έπιασε» το IceCube, προέρχονται από άγνωστες μακρινές πηγές εκτός του ηλιακού μας συστήματος, καθώς έχουν υψηλή ενέργεια άνω των 30 TeV, ενώ δύο από αυτά άνω των 1.000 TeV, όταν -συγκριτικά- ο αναβαθμισμένος επιταχυντής του CERN το 2015 θα κάνει συγκρούσεις σωματιδίων με συνολική ενέργεια 14 ΤeV.

Η ανακάλυψη αναμένεται να προσφέρει νέα δεδομένα στην κατανόηση φαινομένων όπως οι εκρήξεις σουπερνόβα και ο σχηματισμός μελανών οπών. Η εξέλιξη αυτή ανάμεσα στα άλλα ενισχύει τις προσπάθειες κατασκευής ανιχνευτών νετρίνων σε διάφορες περιοχές της Γης, όπως στα βάθη της Μεσογείου.