H Γη μπορεί να απορροφήσει νετρίνα υψηλής ενέργειας. How the Earth stops high-energy neutrinos in their tracks

Σύμφωνα με το πείραμα IceCube. For the first time, a science experiment has measured Earth's ability to absorb neutrinos -- the smaller-than-an-atom particles that zoom throughout space and through us by the trillions every second at nearly the speed of light. The experiment was achieved with the IceCube detector, an array of 5,160 basketball-sized sensors frozen deep within a cubic kilometer of very clear ice near the South Pole. This image shows a visual representation of one of the highest-energy neutrino detections superimposed on a view of the IceCube Lab at the South Pole. Credit: IceCube Collaboration

Για πρώτη φορά το επιστημονικό πείραμα IceCube κοντά στο Νότιο Πόλο, αποκάλυψε την ικανότητα της Γης να «φρενάρει» και να απορροφά τα νετρίνα, γνωστά και ως σωματίδια-φαντάσματα.

Τα εν λόγω υποατομικά σωματίδια έρχονται από το διάστημα και τρισεκατομμύρια από αυτά κάθε δευτερόλεπτο διαπερνούν τον πλανήτη μας, κάθε στερεό αντικείμενο και εμάς τους ίδιους σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Artwork: IceCube consists of an array of sensors embedded in very clear ice near the South Pole. Credit: JAMIE YANG / ICECUBE

Το IceCube, στην Ανταρκτική, αποτελείται από μία διάταξη 5.160 αισθητήρων με μέγεθος μπάλας μπάσκετ ο καθένας, που βρίσκονται βαθιά στο εσωτερικό ενός κύβου καθαρού πάγου με πλευρά ενός χιλιομέτρου. Οι αισθητήρες δεν ανιχνεύουν άμεσα τα ίδια τα νετρίνα, αλλά τις λάμψεις από τη μπλε ακτινοβολία Τσερένκοφ που εκπέμπουν άλλα υποατομικά σωματίδια, όταν τα νετρίνα συναντούν τον πάγο.

In this study, researchers measured the flux of muon neutrinos as a function of their energy and their incoming direction. Neutrinos with higher energies and with incoming directions closer to the North Pole are more likely to interact with matter on their way through Earth. Credit: IceCube Collaboration

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον επικεφαλής επιστήμονα του IceCube καθηγητή φυσικής Φράνσις Χάλζεν του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μάντισον, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο Nature, πραγματοποίησαν την πρώτη μέτρηση που επιβεβαιώνει ότι τελικά μερικά νετρίνα σταματούν στον πλανήτη μας και δεν συνεχίζουν το διαστημικό ταξίδι τους. Όσο υψηλότερη ενέργεια έχει ένα νετρίνο, τόσο πιθανότερο είναι να αλληλεπιδράσει με την ύλη και συνεπώς να απορροφηθεί από τη Γη.

Τα νετρίνα σχηματίσθηκαν αρχικά με τη γέννηση του σύμπαντος και συνεχίζουν να παράγονται από τα άστρα, αλλά και από τα πυρηνικά εργοστάσια. Τα νετρίνα που παράγονται στη γήινη ατμόσφαιρα, όταν πέφτει πάνω της η κοσμική ακτινοβολία, μπορεί να έχουν πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη ενέργεια από ό,τι τα νετρίνα που παράγονται από τον Ήλιο ή από πυρηνικούς αντιδραστήρες στη Γη. Ένας μικρός αριθμός κοσμικής προέλευσης νετρίνων προέρχεται απευθείας από άγνωστες αστροφυσικές πηγές πέρα από τη Γη, όπως πιθανώς οι τεράστιες μαύρες τρύπες.

A digital optical module (DOM) is lowered into the ice during construction of IceCube. Credit: MARK KRASBERG, ICECUBE/NSF

Η πρώτη ανίχνευση νετρίνων πολύ υψηλής ενέργειας, από το IceCube, είχε γίνει το 2013, αλλά έως σήμερα παρέμενε ερωτηματικό κατά πόσο όντως κάποιο είδος ύλης μπορεί να σταματήσει το ταξίδι ενός νετρίνου.

Although neutrinos can easily sail through matter, the probability that a neutrino interacts with matter grows with energy. Very high energy neutrinos will not make it to IceCube if they pass through the Earth's core. Credit: IceCube Collaboration

«Γνωρίζαμε ότι τα χαμηλότερης ενέργειας νετρίνα διαπερνούν τα πάντα, αλλά μολονότι αναμέναμε πως τα υψηλότερης ενέργειας νετρίνα θα είναι διαφορετικά, έως τώρα δεν είχαμε κάποια πειστική πειραματική επιβεβαίωση» δήλωσε ο καθηγητής φυσικής Νταγκ Κάουεν του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια. «Τώρα, για πρώτη φορά, δείξαμε ότι τα πολύ υψηλής ενέργειας νετρίνα πράγματι μπορούν να απορροφηθούν από κάτι - εν προκειμένω από τη Γη» πρόσθεσε.

Τα νέα ευρήματα συμφωνούν με τις θεωρητικές προβλέψεις του, εδώ και μισό αιώνα, Κυρίαρχου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής και έτσι απογοήτευσαν κάπως όσους έλπιζαν ότι το IceCube θα αποκαλύψει κάτι που δεν ήταν δυνατό να εξηγηθεί με βάση αυτό το θεωρητικό μοντέλο.

Ένα άλλο υπόγειο πείραμα ανίχνευσης νετρίνων, το Deep Underground Neutrino Experiment (Dune), βρίσκεται υπό ανάπτυξη και θα λειτουργήσει στην επόμενη δεκαετία.

Πηγές: M. G. Aartsen et al. Measurement of the multi-TeV neutrino interaction cross-section with IceCube using Earth absorption. Nature, 2017; DOI: 10.1038/nature24459 - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=918276