Najveći teleskop na svetu IceCube (Kocka leda), koji se nalazi na Antarktiku, prvi put je potvrdio postojanje neutrina visokih energija u Mlečnom putu. Ovaj uspeh, predstavljen u časopisu Science, trebalo bi da otvori vrata za novu astronomiju utemeljenu na česticama koji mogu proći kroz gotovo sve prepreke, uključujući guste oblake gasova i prašine, čak velika svemirska tela, kroz koja ne mogu elektromagnetski talasi.
Što su neutrini? Male, električno neutralne čestice koje nastaju u radioaktivnim raspadima u nuklearkama, u ekstremnim okruženjima poput onih oko masivnih crnih rupa i u udarima visokoenergetskih kosmičkih zraka, sastavljenih od subatomskih čestica u atome. Neutrini s lakoćom prolaze kroz većinu materije jer ne ulaze u reakcije s nabojima i retko se sudaraju s atomima. Za ilustraciju, zid od olova debljine jedne svetlosne godine mogao bi da zaustavi polovin. Istovremeno, to je razlog zbog kojeg ih je vrlo teško detektovati.
Leonora Kardum, doktorandkinja fizike na Tehničkom univerzitetu u Dortmundu (Nemačka) i članica teleskopa IceCube, kaže da su neutrini najčešće čestice s masom u svemiru. „Oko 10 triliona neutrina nastalih samo u Suncu prođe kroz svakog čoveka svake sekunde, odnosno stotine triliona kad se uzmu i neutrini iz svemira”, kaže Leonora Kardum. Zašto neutrini ne ulaze u interakciju s materijom?
Naime, retko ulaze u reakcije s atomima iz nekoliko razloga. Pre svega, zato što nemaju električni naboj, a tine ni elektromagnetsku interakciju s atomima koja postoji kod naelektriziranih čestica poput elektrona ili protona. Takođe, interagiraju uglavnom putem slabe nuklearne sile, jedne od četiri fundamentalne u prirodi. Ona je veoma slaba i ima mali domet u poređenju s drugim fundamentalnim silama kao što su elektromagnetska sila ili jaka nuklearna sila. Konačno, na neutrine teško može delovati gravitacija jer imaju izuzetno malu masu. Do nedavno se, čak, smatralo da nemaju masu, no eksperimentalna otkrića pokazala su da je imaju, iako vrlo malu.
Tačna masa ovih čestica i dalje je predmet istraživanja, a procene ukazuju da je oko 500.000 puta manja od elektrona, koji je najlakša poznata subatomska čestica s masom. Neutrini imaju ključnu ulogu u različitim područjima nauke, od astrofizike i kosmologije do fizike elementarnih čestica i testiranja fundamentalnih teorija. Primerice, mogu biti izvor informacija o udaljenim i ekstremnim telima. Budući da kroz tvar prolaze gotovo neometano, do Zemlje mogu stići iz vrlo udaljenih delova svemira, uključujući ekstremna okruženja poput crnih rupa, supernova ili drugih koje je često teško istraživati. Posmatranja i analize neutrinskih tokova mogu dati neposredne informacije o tim telima i procesima u njima.
Neutrini, inače, imaju važnu ulogu u fizici elementarnih čestica. Proučavanje njihovih svojstava može pomoći u razumevanju fundamentalnh zakona prirode, poput mase, električnog naboja, oscilacija različitih vrsta neutrina (ima ih najmanje tri) i interakcija slabih sila. Isto tako ključni su za izučavanje i razumevanje svemira: otkrivanje i odgonetanje supernova, izvora gama zraka u galaktičkim jezgrama i drugih astrofizičkih pojava.
Nadalje, neutrini su korisni za proveru fizičkih teorija, uključujući Standardni model čestica, teoriju relativnosti i druge. Konačno, zbog velike brojnosti i brzine i slabe interakcije s materijom, važni su kandidati za objašnjenje tamne materije. Kako se detektuju?
Budući da ih nnje moguće opaziti većinom različitih teleskopa, naučnici su u ledu Antarktiku konstruisali opservatoriju IceCube, koja se sastoji od kocke leda teške milijardu tona, opremljene mrežom od preko 5.000 zamrznutih senzora. Kada otkriju neutrino, senzori se upale, a na temelju rasporeda senzora istraživači mogu odrediti energiju i smer iz kojeg dolazi čestica koja je stvorila bljesak. Teleskop generiše terabajt podataka svakodnevno koje vredno analizira preko 350 ljudi u 58 instituta. Osmatračnica, osim ostalog, ima odeljnja za proučavanje kosmičkih zraka i tamne materije.
IceCube je zakopan kilometar i po pod zemljom zbog pozadinske buke. „Tu udaljenost kroz led ili kamen prolaze samo neutrini i muoni vrlo visokih energija. Važno je, takođe, istaći da senzori ne vide neutrine neporedno. Oni se beleže samo u retkim slučajevima kada učestvuju u reakciji pre ili baš u detektoru i stvore muon koji zatim izazove bljesak. Iz nekih svojstava tih događaja možemo zaključiti da li im je prethodilo postojanje neutrina. Iz tog razloga su detekcija i razdvajanje neutrina od pozadine ostalih muona toliko kompleksni”, tumači Leonora Kardum. Zašto je teško otkriti neutrine i na Antarktiku?
IceCube beleži oko 2.600 događaja svake sekunde, no većina dolazi od sudara kosmičkih zraka sa atomima od kojih se većina zbiva u Zemljinoj atmosferi. Od više stotina hiljada neutrina koji se registruju svake godine, samo nekoliko stotina dolazi iz galaktičkih ili vangalaktičkih izvora. Jedna od ključnih teškoća jeste razlikovanje od pozadinske buke koja dolazi od ostalih vrsta čestica što prolaze kroz detektor i stvaraju signale slične signalima sudara neutrina sa atomima. Isto tako, teško je razaznati neutrine koji nastaju u atmosferi Zemlje od onih koji stižu od dalekih svemirskih tela i fenomena koji se istražuju.
U IceCube-u, uglavnom, posmatraju čestice koje su pre dolaska do detektora prošle kroz celu Zemlju. „Beležimo neutrine koji putuju od Severnog pola do Južnog pola. Tako smo sigurni da je događaj uzrokovala čestica koja je kroz stene putovala par hiljada kilometara, što može samo neutrino. To zovemo up-going tracks, jer kad biste se našli na Južnom polu, posmatrali biste čestice čija putanja izlazi iz tla nagore”, objašnjava Leonora Kardum. Budući da se opservatorija nalazi na Južnom polu, a posmatra čestice koje su prethodno prošle kroz Zemlju, ona zapravo uglavnom osmatra Severno nebo. Da bi razlikovali neutrine od pozadinskog šuma, naučnici su u analizi podataka koristili tehnologiju veštačke inteligencije.
(Indeks)
