Уникальное проявление нейтрино объяснили спустя почти 10 лет: почему это так важно

Каждую секунду через тело человека проходит 100 триллионов нейтрино. Эти крошечные, почти безмассовые частицы преодолевают огромные расстояния в космосе, неся информацию о своих источниках.

Нейтрино — общее название нейтральных фундаментальных частиц с полуцелым спином, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящихся к классу лептонов. В настоящее время известно три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы. 

Нейтрино рождаются во многих процессах, например, в ходе термоядерных реакций в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Проблема в том, что эти частицы невероятно сложно обнаружить. Для этого требуется единственный в своем роде детектор, который может их засечь.

Где ищут нейтрино?

Строительство нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе официально завершили 18 декабря 2010 года. Ее разработали для поиска высокоэнергетических космических нейтрино. Сам детектор состоит из 5 160 оптических датчиков — цифровых оптических модулей (digital optical modules, DOM), — помещенных в кубический километр антарктического льда.

Как проявляется нейтрино?

Когда нейтрино взаимодействует с молекулой льда, образующиеся вторичные заряженные частицы излучают синий свет в результате процесса, известного излучение Черенкова. Затем свет проходит сквозь лед и может достигать некоторых DOM. В итоге исследователи реконструируют энергию и направление частицы. Этот процесс основан на знании оптических свойств льда. Однако один раз это проявление нейтрино сильно удивило ученых.

Черенковское излучение — это форма энергии, которую можно наблюдать в виде голубого свечения, вызываемого заряженными частицами, из которых состоят атомы (электроны и протоны), движущиеся в определенной среде со скоростью, превышающей скорость света.

Уникальное явление

В 2013 году сотрудники коллаборации IceCube наблюдали уникальное явление, когда наблюдаемая яркость источника света зависела от направления света. Эффект известен как оптическая анизотропия льда. До сих пор исследователи пытались описать анизотропию с помощью вариаций поглощения и рассеяния, вызванных примесями, но безуспешно.

Анизотропия — различие свойств среды в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии. В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

В новом исследовании, опубликованном в журнале The Cryosphere, сотрудники IceCube объяснили его. Оказалось, что он появился в результате двулучепреломляющих свойств удлиненных кристаллов льда, которые отклоняют свет в двух направлениях. Иными словами, без двойного лучепреломления свет исходит радиально от изотропного источника света, а при двойном — медленно отклоняется к оси ледяного «потока».

Это открытие использовали, чтобы создать новую оптическую модель льда на основе двойного лучепреломления — SpiceBFR. Ее используют в моделировании детектора и она уже существенно улучшила интерпретацию световых паттернов, которые возникают в результате взаимодействия частиц во льду.

20 лет исследований

Оптическую модель льда, которую использует коллаборация IceCube, разрабатывали с первых дней предшествующего эксперимента AMANDA.

Эксперимент AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) — антарктический массив детекторов мюонов и нейтрино. По сути, это нейтринный телескоп, расположенный под Южнополярной станцией Амундсена-Скотта. В 2005 году, после девяти лет работы, AMANDA официально стала частью проекта-преемника, нейтринной обсерватории IceCube.

Более 20 лет ученые добавляли новые открытия к известному пониманию льда, включая исчезновение захваченных пузырьков воздуха на глубинах значительно выше детектора и то, что на глубинах ледяной щит Южного полюса содержит самый чистый лед на планете.

Чтобы улучшить предыдущие попытки описать анизотропию, сотрудники внимательно изучили этот эффект, обнаружив его корреляцию с глубинным развитием свойств кристаллов льда. Это навело ученых на мысль, что множество случайно подобранных мелких кристаллов, составляющих лед, играют роль в наблюдаемой анизотропии.

Что сделали ученые?

Для исследования физики запустили симуляции, которые смоделировали различные пути, по которым свет может проходить внутри детектора. Затем они сравнили смоделированные данные с большим набором данных калибровки, взятым из IceCube.

Набор калибровочных данных IceCube содержит данные от 60 000 светодиодов, которыми оборудованы все DOM. Они, в свою очередь, излучают последовательные световые импульсы в лед, а затем используются для калибровки оптических свойств льда.

Что дальше и почему это важно?

Сравнение показателей помогло ученым сделать вывод о средней форме и размере кристаллов льда внутри IceCube. Это захватывающее новое открытие побуждает к созданию новых симуляций и адаптации текущих методов реконструкции для учета модели SpiceBFR.

Открытие не только поможет IceCube улучшить реконструированные взаимодействия нейтрино. Исследование имеет значение для области гляциологии в целом. Как отмечают авторы новой работы, свойства кристаллов льда изучают, в частности, для понимания механики течения льда. Затем эти данные можно использовать, чтобы спрогнозировать баланс массы Антарктики и, как следствие, повышения уровня моря в меняющемся климате.

Читать далее:

Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS

НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы

Физики преодолели стандартный квантовый предел с помощью «квантовой жути»

_{На обложке: излучение Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости исследовательского реактора ATR Национальной лаборатории Айдахо. Фото: Argonne National Laboratory}