Σωματίδιο αντιύλης «τερατώδους» ενέργειας ανιχνεύθηκε στην Ανταρκτική. Monster antimatter particle slams into Antarctica

Μια καλλιτεχνική απόδοση του εργαστηρίου IceCube στο Νότιο Πόλο. Η μοναδική μέχρι σήμερα ανίχνευση ενός «συντονισμού Glashow» απεικονίζεται με την μπλε λάμψη μιας ράβδου. On December 6, 2016, a high-energy particle hurtled to Earth from outer space at close to the speed of light. It triggered the sensors of the IceCube Neutrino Observatory, a massive telescope buried in the Antarctic glacier. IceCube had seen a Glashow resonance event, a phenomenon predicted by Nobel laureate physicist Sheldon Glashow in 1960. A South Pole scene of the IceCube Laboratory against a backdrop of auroras displayed inside an artistic rendition of a photomultiplier tube. The resonance is depicted as a glowing blue rod, representing the first string in IceCube to observe early pulses from the event. Credit: IceCube Collaboration (ICL photo by Yuya Makino, IceCube/NSF)

Ένα αντινετρίνο έφτασε στη Γη με ενέργεια ίση με την κινητική ενέργεια ενός κουνουπιού ταχύτητας 8,2 Mach – τόση ενέργεια στον κόσμο των σωματιδίων θεωρείται ‘εκκωφαντικά’ τεράστια – και συγκρούστηκε με ένα ηλεκτρόνιο των πάγων της Ανταρκτικής, προκαλώντας μια σπάνια αλληλεπίδραση. Τέτοια σπάνια γεγονότα είχαν προβλεφθεί θεωρητικά το 1960, αλλά ουδέποτε είχαν ανιχνευθεί.

Το εν λόγω γεγονός συνέβη το 2016, όμως οι ερευνητές το διερεύνησαν αναλυτικά και το επιβεβαιώνουν στην εργασία τους που δημοσιεύθηκε στις 10 Μαρτίου στο περιοδικό Nature. Το αντινετρίνο του ηλεκτρονίου με ταχύτητα σχεδόν ίση με την ταχύτητα του φωτός, συγκρούστηκε με ένα ηλεκτρόνιο κάπου στον πάγο της Ανταρκτικής.

A visualization of the Glashow event recorded by the IceCube detector. Each colored circle shows an IceCube sensor that was triggered by the event; red circles indicate sensors triggered earlier in time, and green-blue circles indicate sensors triggered later. This event was nicknamed “Hydrangea.” Credit: IceCube Collaboration

Αυτή η σύγκρουση δημιούργησε έναν πίδακα σωματιδίων που εντοπίστηκαν από τον υπόγειο ανιχνευτή IceCube – ο οποίος είναι υπεύθυνος για μεγάλο μέρος της έρευνας σχετικά με τα νετρίνα υψηλής ενέργειας την τελευταία δεκαετία.

Οι φυσικοί του IceCube αναφέρουν ότι αυτός ο πίδακας σωματιδίων περιείχε αποδεικτικά στοιχεία για ένα φαινόμενο που είχε προβλεφθεί θεωρητικά, αλλά ποτέ δεν είχε εντοπιστεί, γνωστό ως «συντονισμός Glashow» .

A timeline of major milestones in neutrino astronomy. Credit: IceCube Collaboration

Το 1960, ο φυσικός Sheldon L. Glashow, τότε μεταπτυχιακός ερευνητής στο Σκανδιναβικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Δανία, προέβλεψε ότι όταν ένα αντινετρίνο με την κατάλληλα υψηλή ενέργεια συγκρούεται με ένα ηλεκτρόνιο, παράγεται βαρύ βραχύβιο σωματίδιο γνωστό σήμερα ως μποζόνιο W:

Η πρόβλεψη του Glashow βασίζεται στους θεμελιώδεις κανόνες του Kαθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, την θεωρία που περιγράφει το κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων. Υπενθυμίζεται ότι το μποζόνιο W, φορέας των ασθενών αλληλεπιδράσεων, ανακαλύφθηκε το 1983!

Το αντινετρίνο του ηλεκτρονίου το οποίο δημιούργησε το γεγονός του συντονισμού Glashow έφτασε από πολύ μακριά πριν φτάσει στο IceCube. Στο παραπάνω γράφημα  (χωρίς κλίμακα) η μπλέ διακεκομμένη γραμμή δείχνει την διαδρομή του αντινετρίνου. The electron antineutrino that created the Glashow resonance event traveled quite a distance before reaching IceCube. This graphic shows its journey; the blue dotted line is the antineutrino’s path. (Not to scale.) Credit: IceCube Collaboration

Η ανίχνευση του συντονισμού Glashow είναι μια ισχυρή επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Προτύπου. Αλλά απαιτεί το νετρίνο να μεταφέρει ενέργεια 6.3 PetaelectronVolts (1PeV=10¹⁵eV), πολύ περισσότερη από οποιαδήποτε ενέργεια μπορεί σήμερα να επιτευχθεί στους επιταχυντές σωματιδίων.

Συνήθως είναι δύσκολο να αντιληφθούμε τους αριθμούς που περιγράφουν μεγέθη των σωματιδίων υψηλών ενεργειών. Ένα νετρίνο έχει μάζα μικρότερη από 2×10⁻³⁷kg, και χιλιάδες νετρίνα χαμηλής ενέργειας που παράγονται στον ήλιο περνούν μέσα από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο χωρίς να τα αντιλαμβανόμαστε. Ένα νετρίνο με ενέργεια 6,3 PeV είναι ‘θηριώδες’. Σύμφωνα με το CERN, ένα teraelectronvolt (TeV) ισοδυναμεί με την ενέργεια ενός κουνουπιού που πετά με ταχύτητα 1 mph (1,6 km/h). Και τα 6,3 PeV είναι 6.300 TeV. Έτσι, ένα σμήνος 6.300 κουνουπιών με αυτή την ταχύτητα (ή ένα μόνο κουνούπι με ταχύτητα 8,2 Mach, πάνω από τέσσερις φορές η μέγιστη ταχύτητα ενός F-16), ισοδυναμεί με την ενέργεια ενός απειροελάχιστου σωματιδίου που απαιτείται για τον συντονισμό του Glashow.

Συγκριτικά, μπορούμε να πούμε επίσης ότι η ενέργεια των 6,3 PeV είναι 450 φορές η μέγιστη ενέργεια που μπορεί να παράγει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC).

An photograph shows the surface portion of the IceCube Neutrino Observatory. (Image credit: Martin Wolf/IceCube/NSF)

Δεδομένης της τεράστιας απαιτούμενης ενέργειας, κανένας δεν ήλπιζε να ανιχνεύσει τον συντονισμό του Glashow στα πειράματα των επίγειων επιταχυντών. Αλλά το IceCube, ανιχνεύει σωματίδια που καταφτάνουν από το αχανές διάστημα. Το σωματίδιο που χτύπησε στον  πάγο της Ανταρκτικής το 2016 παρήγαγε έναν χαρακτηριστικό πίδακα σωματιδίων που σύμφωνα με τους ερευνητές προήλθε από την διάσπαση του μποζονίου W. Κι αυτό είναι το χαρακτηριστικό σημάδι ενός αντινετρίνου 6.3PeV και του συντονισμού του Glashow.

Sheldon L. Glashow. Higgins Professor of Physics, Emeritus. 1979 Nobel Prize in Physics: "For ... contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, inter alia, the prediction of the weak neutral current."

Ο Sheldon Glashow, που βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1979 για την συνεισφορά του στην ενοποίηση ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων και την πρόβλεψη του ασθενούς ουδέτερου ρεύματος, δήλωσε σχετικά με την ανίχνευση του συντονισμού του: «Για να είμαστε απολύτως σίγουροι, θα πρέπει να δούμε άλλο ένα τέτοιο γεγονός στην ίδια ενέργεια με αυτό που παρατηρήσαμε. Μέχρι στιγμής υπάρχει ένα, και στο μέλλον θα υπάρχουν περισσότερα».

Οι φυσικοί εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι για το πώς παράχθηκε το τερατώδους ενέργειας σωματίδιο της αντιύλης. Η ανίχνευση περισσότερων γεγονότων, θα βελτιώσει την θεωρητική περιγραφή των κοσμικών επιταχυντών που παράγουν τέτοια ακραία σωματίδια, εκτοξεύοντάς τα προς τη Γη.

Πηγές:  The IceCube Collaboration., Aartsen, M.G., Abbasi, R. et al. Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube. Nature 591, 220–224 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03256-1 - https://icecube.wisc.edu/news/press-releases/2021/03/icecube-detection-of-a-high-energy-particle-proves-60-year-old-theory/ -  www.livescience.com - https://physicsgg.me/2021/03/17/