โลกหยุดการเกิดนิวทริโน่เป็นครั้งคราว

ที่สถานีขั้วโลกใต้ Amundsen – Scott ในแอนตาร์กติกามีหอดูดาว IceCube Neutrino ซึ่งเป็นสถานที่ที่อุทิศให้กับการศึกษาอนุภาคพื้นฐานที่รู้จักกันในชื่อนิวตริโน อาเรย์นี้ประกอบด้วยเซ็นเซอร์ออปติคอลทรงกลม 5,160 อัน - โมดูลแสงดิจิตอล (DOMs) - ฝังอยู่ในน้ำแข็งลูกบาศก์กิโลเมตร ในปัจจุบันหอดูดาวแห่งนี้เป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลกและใช้เวลาเจ็ดปีที่ผ่านมาเพื่อศึกษาว่าอนุภาคเหล่านี้ทำงานและมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร

การศึกษาล่าสุดที่ออกโดยความร่วมมือ IceCube ด้วยความช่วยเหลือของนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนียได้วัดความสามารถของโลกในการบล็อกนิวตริโนเป็นครั้งแรก สอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคพวกเขาพบว่าในขณะที่นิวตริโนล้านล้านผ่านโลก (และเรา) เป็นประจำบางครั้งก็หยุดโดยมัน

การศึกษาเรื่อง“ การวัดส่วนที่ใช้หลายส่วนร่วมของนิวตริโนปฏิสัมพันธ์กับ IceCube โดยใช้ Earth Absorption” ที่เพิ่งปรากฏในวารสารวิทยาศาสตร์ ธรรมชาติ. ผลการศึกษาของทีมขึ้นอยู่กับการสังเกตการปฏิสัมพันธ์ของนิวตริโนเคลื่อนที่สูงขึ้น 10,784 ปฏิกิริยาซึ่งถูกบันทึกในช่วงเวลาหนึ่งปีที่หอดูดาว

ย้อนกลับไปในปี 2556 การตรวจพบนิวตริโนพลังงานสูงครั้งแรกเกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันของ IceCube นิวตริโนเหล่านี้ - ซึ่งเชื่อกันว่าเป็น astrophysical ในแหล่งกำเนิดอยู่ในพิสัยโวลต์ของอิเล็กตรอนทำให้พวกมันเป็นนิวตริโนพลังงานสูงสุดที่ค้นพบในปัจจุบัน IceCube ค้นหาสัญญาณของการมีปฏิสัมพันธ์เหล่านี้โดยมองหารังสีเชอเรนคอฟซึ่งเกิดจากอนุภาคที่มีประจุที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วจะชะลอตัวลงโดยการโต้ตอบกับสสารปกติ

ด้วยการตรวจจับนิวตริโนที่ทำปฏิกิริยากับน้ำแข็งใสเครื่องมือ IceCube ก็สามารถประเมินพลังงานและทิศทางการเคลื่อนที่ของนิวตริโนได้ แม้จะมีการตรวจจับเหล่านี้ แต่ความลึกลับยังคงเป็นไปได้หรือไม่ว่าสสารชนิดใดสามารถหยุดนิวตริโนได้เมื่อมันเดินทางผ่านอวกาศ ตามแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคนี่เป็นสิ่งที่ควรเกิดขึ้นในบางโอกาส

หลังจากสังเกตปฏิกิริยาที่ IceCube เป็นเวลาหนึ่งปีทีมวิทยาศาสตร์พบว่านิวตริโนที่ต้องเดินทางไกลที่สุดในโลกนั้นมีโอกาสน้อยกว่าที่จะไปถึงตัวตรวจจับ ดังที่ดั๊กเว่นศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ / ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่เพนน์สเตตอธิบายในข่าวประชาสัมพันธ์ของเพนน์สเตต:

“ ความสำเร็จครั้งนี้มีความสำคัญเพราะมันแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่ามีบางสิ่งบางอย่างที่สามารถดูดซึมนิวตริโนพลังงานสูงมาก - ในกรณีนี้โลก เรารู้ว่านิวตริโนพลังงานต่ำจะผ่านอะไรก็ได้ แต่ถึงแม้ว่าเราคาดว่านิวตริโนพลังงานที่สูงกว่าจะแตกต่างกัน แต่ก็ไม่มีการทดลองก่อนหน้านี้ที่สามารถแสดงให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่านิวตริโนพลังงานสูง

การมีอยู่ของนิวตริโนถูกเสนอขึ้นครั้งแรกในปี 2473 โดยนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Wolfgang Pauli ซึ่งกล่าวถึงการดำรงอยู่ของพวกเขาเพื่ออธิบายการสลายตัวของเบต้าในแง่ของการอนุรักษ์กฎหมายพลังงาน พวกเขาได้รับการตั้งชื่อดังกล่าวเพราะเป็นกลางทางไฟฟ้าและโต้ตอบกับสสารน้อยมากเท่านั้น - เช่นผ่านแรงดูดซับของอะตอมและแรงโน้มถ่วง ด้วยเหตุนี้นิวตริโนจึงผ่านสสารปกติเป็นประจำ

ในขณะที่มีการผลิตนิวตริโนเป็นประจำโดยดวงดาวและเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่นี่บนโลกนิวตริโนแรกเกิดขึ้นในช่วงบิกแบง การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของพวกเขากับเรื่องปกติจึงสามารถบอกเราได้มากมายเกี่ยวกับว่าจักรวาลวิวัฒนาการมาอย่างไรในช่วงระยะเวลาหลายพันล้านปี นักวิทยาศาสตร์หลายคนคาดหวังว่าการศึกษาของนิวตริโนจะบ่งบอกถึงการมีอยู่ของฟิสิกส์ใหม่ซึ่งนอกเหนือไปจากแบบจำลองมาตรฐาน

ด้วยเหตุนี้ทีมวิทยาศาสตร์จึงค่อนข้างประหลาดใจ (และอาจผิดหวัง) กับผลลัพธ์ของพวกเขา ในฐานะที่เป็นฟรานซิส Halzen - ผู้ตรวจสอบหลักสำหรับ IceCube Neutrino Observatory และศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่ University of Wisconsin-Madison - อธิบาย:

“ การเข้าใจว่านิวตริโนมีปฏิกิริยาต่อกันเป็นกุญแจสำคัญต่อการทำงานของ IceCube แน่นอนว่าเราหวังว่าจะมีฟิสิกส์ใหม่ปรากฏขึ้น แต่น่าเสียดายที่เราพบว่าแบบจำลองมาตรฐานนั้นทนทานต่อการทดสอบ

ส่วนใหญ่นิวตริโนที่เลือกสำหรับการศึกษานี้มีพลังมากกว่าหนึ่งล้านเท่ามากกว่าที่ผลิตโดยดวงอาทิตย์หรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ของเรา การวิเคราะห์ยังรวมถึงบางส่วนที่เกี่ยวกับดาราศาสตร์ในธรรมชาติ - ซึ่งผลิตขึ้นนอกชั้นบรรยากาศของโลก - และอาจถูกเร่งความเร็วสู่โลกโดยหลุมดำมวลมหาศาล (SMBHs)

Darren Grant ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ University of Alberta ก็เป็นโฆษกของ IceCube Collaboration ตามที่เขาระบุการศึกษาปฏิสัมพันธ์ล่าสุดนี้เปิดประตูสำหรับการวิจัยนิวตริโนในอนาคต “ นิวตริโนมีชื่อเสียงในด้านพฤติกรรมของพวกเขาอย่างน่าประหลาดใจ” เขากล่าว “ มันเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นอย่างมากที่ได้เห็นการวัดครั้งแรกและศักยภาพในการทดสอบความแม่นยำในอนาคต”

การศึกษานี้ไม่เพียงให้การวัดครั้งแรกของการดูดซับนิวตริโนของโลก แต่ยังเปิดโอกาสให้นักวิจัยธรณีฟิสิกส์ที่หวังจะใช้นิวตริโนเพื่อสำรวจการตกแต่งภายในของโลก เนื่องจากโลกมีความสามารถในการหยุดอนุภาคพลังงานสูงหลายพันล้านชิ้นที่ผ่านมันเป็นประจำนักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาวิธีการศึกษาแกนด้านในและด้านนอกของโลกวางข้อ จำกัด ที่แม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับขนาดและความหนาแน่น

นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าหอดูดาว IceCube มีความสามารถในการเข้าถึงเกินเป้าหมายเดิมซึ่งก็คือการวิจัยทางฟิสิกส์ของอนุภาคและการศึกษาของนิวตริโน จากการศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามันมีความสามารถในการมีส่วนร่วมในการวิจัยวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์และฟิสิกส์นิวเคลียร์เช่นกัน นักฟิสิกส์ยังหวังว่าจะใช้อาร์เรย์ IceCube แบบเต็ม 86 สายเพื่อทำการวิเคราะห์เป็นเวลาหลายปีเพื่อตรวจสอบพลังงานนิวตริโนในระดับที่สูงขึ้น

ดังที่ James Whitmore - ผู้อำนวยการโปรแกรมในแผนกฟิสิกส์ของ National Science Foundation (NSF) (ซึ่งให้การสนับสนุน IceCube) - ระบุว่าสิ่งนี้จะช่วยให้พวกเขาสามารถค้นหาฟิสิกส์ที่นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานอย่างแท้จริง

“ IceCube ถูกสร้างขึ้นเพื่อสำรวจขอบเขตของฟิสิกส์และในการทำเช่นนั้นอาจท้าทายการรับรู้ที่มีอยู่ของธรรมชาติของจักรวาล การค้นพบใหม่นี้และอื่น ๆ ที่ยังไม่เกิดขึ้นอยู่ในจิตวิญญาณของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์”

นับตั้งแต่การค้นพบฮิกส์โบซอนในปี 2555 นักฟิสิกส์มีความมั่นใจในความรู้ที่ว่าการเดินทางอันยาวนานเพื่อยืนยันตัวแบบมาตรฐานเสร็จสมบูรณ์แล้ว ตั้งแต่นั้นมาพวกเขาตั้งฉากของพวกมันให้ไกลออกไปโดยหวังว่าจะได้พบกับฟิสิกส์ใหม่ที่สามารถไขปริศนาความลึกลับที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นของจักรวาล - นั่นคือความเหนือชั้นทฤษฎีแห่งทุกอย่าง (ToE) เป็นต้น

สิ่งนี้รวมถึงการศึกษาวิธีการทำงานของฟิสิกส์ในระดับพลังงานสูงสุด (คล้ายกับที่มีอยู่ในบิกแบง) คือความลุ่มหลงในปัจจุบันของนักฟิสิกส์ หากพวกเขาประสบความสำเร็จเราอาจเพิ่งเข้าใจว่าสิ่งใหญ่โตนี้ที่รู้จักกันในนามของจักรวาลทำงานอย่างไร