KU-forskere høster ny viden om høj-energi neutrinoer – Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Nyheder > Alle nyheder > KU-forskere høster ny ...

23. november 2017

KU-forskere høster ny viden om høj-energi neutrinoer

Neutrinoforskning:

Forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet har sammen med kolleger fra hele verden målt neutrinoer i kosmisk stråling ved energiniveauer 1.000 gange højere end dem, man her på Jorden kan skabe i partikelacceleratorer. Beregninger viser, at neutrinoerne opfører sig i overensstemmelse med standardmodellen.

Her nogle af bygningerne på IceCube. Under overfladen måler anlægget en kilometer på hver led – altså en isterning på en kubikkilometer - og anlæggets tekniske udstyr består af 5.160 kugleformede optiske sensorer, der er sænket ned i Antarktis. Foto: Morten Ankersen Medici

Høj-energi neutrinoer kan blive stoppet ved mødet med fast stof, for eksempel Jorden – disse neutrinoer går ikke tværs gennem alt.

Det viser målinger gennemført af et kæmpe forskerhold på omkring 300 videnskabsfolk fra i alt 12 lande - heriblandt seks forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI) ved Københavns Universitet. Det er samtidig den første undersøgelse, der viser, hvor sandsynligt det er, at dette sker.

Alle neutrinoer kan interagere med fast stof, det sker bare uhyre sjældent – og sandsynligheden for en sådan reaktion er størst hos høj-energi neutrinoer.

Anlægget, der er verdens største partikeldetektor, ’sidder’ dybt under isen i Antarktis, nær Sydpolen.

At høj-energi neutrinoer kan blive stoppet ved mødet med fast stof, herunder Jorden, er dog aldrig tidligere vist ved hjælp af måleudstyr, og opdagelsen har fundet vej til Nature - et af verdens mest prestigefyldte videnskabelige tidsskrifter – hvor den netop er blevet offentliggjort.

Den videnskabelige artikel bygger på data indsamlet gennem et år ved hjælp af forskningsanlægget IceCube – en partikeldetektor, som har ’til huse’ i Antarktis, ved Sydpolen.

Anlægget måler en kilometer på hver led – altså en isterning på en kubikkilometer - og anlæggets tekniske udstyr består af 5.160 kugleformede optiske sensorer, der er sænket ned i Antarktis’ den kilometertykke iskappe gennem en lang række boringer.

De dybeste af disse boringer går helt ned til 2.400 meter under isens overflade, og hver af de optiske sensorer har en diameter på omkring 30 centimeter.

Neutrinoer hyppigst forekommende partikler

Neutrinoer er en af de hyppigst forekommende partikler i universet. De fleste er skabt ved universets tilblivelse, andre er resultatet af processer i Solens indre - eller stammer fra voldsomme astrofysiske hændelser, som eksempelvis involverer sorte huller eller stjerneeksplosioner.

De neutrinoer, NBI-forskerne har været med til at analysere i forbindelse med den nye artikel i Nature – i alt 10.784 – var hovedsagelig atmosfæriske neutrinoer og altså ikke partikler med oprindelse i astrofysiske kilder uden for vor planet eller galakse.

Ca. 300 fysikere fra 49 institutioner i 12 lande udgør IceCube samarbejdet. Det internationale team er ansvarlig for det videnskabelige program, og mange af samarbejdspartnerne har bidraget til designet og konstruktionen af detektoren. Den spændende nye forskning der kommer ud af samarbejdet åbner et nyt vindue for udforskningen af vores univers. Foto: Morten Ankersen Medici

Der er så mange neutrinoer, at der hvert sekund passerer 65 milliarder neutrinoer fra Solen gennem hver eneste kvadratcentimeter af Jordens overflade. Disse neutrinoer – som er næsten masseløse elementarpartikler - er lav-energi neutrinoer, som også går tværs gennem mennesker og dyr og alt andet levende på Jorden. Og disse neutrinoer vil fortsætte med at bevæge sig gennem alt, hvad de møder, på en i princippet uendelig rejse – som også vil føre dem tværs gennem andre kloder, der måtte ligge på deres vej.

Høj- og lav-energi neutrinoer

Men der er også en anden slags neutrinoer, nemlig høj-energi neutrinoer. Og det vil sige neutrinoer, som er produceret andre steder i universet end lav-energi neutrinoerne – uden for vores galakse og muligvis under helt andre forhold.

Det er disse høj-energi neutrinoer, forskere verden over kigger efter ved hjælp af IceCube, og de er meget sjældne, fortæller en af NBI-forskerne bag Nature-artiklen, adjunkt Jason Koskinen: ”På et år vil man typisk kunne registrere 10-20 høj-energi neutrinoer via IceCube – og en registrering indebærer i dette tilfælde, at man ved hjælp af de godt 5.000 optiske sensorer dybt nede i Antarkis-isen opfanger nogle blå lysglimt”.

Når kosmisk stråling kolliderer med atmosfæren genereres partikler, der kan gennemtrænge Jorden, for eksempel muoner og neutrinoer. Dette foregår konstant. Illustration: Jason Koskinen

Disse glimt kaldes Cherenkov-stråling og er den reaktion, der skabes, når høj-energi neutrinoer en sjælden gang imellem reagerer med isen – hvorved der dannes nye partikler, for eksempel muoner. Hidtil har videnskaben imidlertid ikke haft succes med at påvise, at høj-energi neutrinoer kan blive stoppet ved mødet med Jorden eller andet fast stof.

At neutrinoer kan stoppes ved mødet med fast stof er velkendt i forbindelse med lav-energi neutrinoer produceret i partikelacceleratorer – dvs. neutrinoer med en energi på maksimalt cirka 400 gigaelektronvolt, GeV – men aldrig i forbindelse med neutrinoer med et højere energiniveau end dette.

Det er det, der nu er lykkedes og beskrives i den nye artikel i Nature.

Idet de høj-energi neutrinoer, NBI-forskerne og deres kolleger arbejdede med, repræsenterede energiniveauer op til 980 teraelektronvolt,TeV.  (1 TeV = 1.000 GeV).

Ingen 'New physics'

Når fysikere taler om ”standardmodellen”, refererer de til den videnskabelige forståelse af partikelfysikken. Det vil sige summen af den opdaterede viden om de lovmæssigheder, der antages at ligge bag den fysik, som styrer og regulerer partiklers adfærd.

Men holder standardmodellen, hvis man udfører eksperimenter, der involverer partikler, som har langt mere energi end de partikler, det hidtil har været muligt at studere?

Det er et af de helt centrale spørgsmål bag IceCube-forskningen.

De neutrinoer, det store forskerhold arbejdede med, genereres af primær kosmisk stråling, som kolliderer med molekyler i Jordens atmosfære – hvorved der skabes en hel sky af sub-atomare partikler. Blandt de partikler, der skabes på denne måde, er et uhyre stort antal, som går gennem Jorden – mens kun meget få interagerer med IceCube detektoren. Denne proces indebærer en produktion af partikler med højere energi end hos de partikler, der kan fremstilles på menneskeskabte anlæg som CERN’s Large Hadron Collider (LHC). Sådanne høj-energi partikler er essentielle, når forskere – som det vises i Nature-artiklen – skal gennemføre ’cross section’ målinger ved hjælp af IceCube. Illustration: Jason Koskinen.

Her leverer Nature-artiklen også ny viden, om end ikke af så spektakulær art, som man i allerbedste fald kunne have håbet på, fortæller en anden af forskerne bag arbejdet, Subir Sarkar:

”Hvis IceCube-målingerne viste noget, der afveg fra standardmodellen, ville det jo betyde, at standardmodellen så at sige ikke fortalte hele historien. Og det ville igen ville pege på eksistensen af hidtil ukendte fysiske forhold og lovmæssigheder, ’new physics’ - for eksempel i forbindelse med mørkt stof. Men det var altså ikke tilfældet”, forklarer Subir Sarkar, NBI-professor ved Teoretisk Partikelfysik og Kosmologi og leder af the Particle Theory Group på Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics ved det britiske University of Oxford.

Når partikelforskere udfører eksperimenter, gør de brug af partikelacceleratorer – herunder LHC-anlægget ved Genève i Schweiz, der drives af Det Europæiske Center for Partikelfysik (CERN) og med sit 27 km lange underjordiske ’rør’ er verdens største af slagsen.

IceCube Observatoriet befinder sig ca. 500 kilometer fra den geografiske sydpol, og al transport til og fra observatoriet foregår i luften. Foto: Morten Ankersen Medici

Problemet er blot, at disse acceleratorer har klare kapacitetsbegrænsninger – de kan ikke generere høj-energi neutrinoer – og skal man teste standardmodellens holdbarhed ved høj-energi tilstande, er det derfor nødvendigt at fremskaffe testmateriale på anden måde.

Det er lige her, IceCube kommer ind i billedet, for de høj-energi neutrinoer, anlægget kan registrere, har en energi som er omkring 1.000 gange højere end de partikler, eksempelvis LHC kan fremstille.

Ved at studere høj-energi neutrinoer kan man blandt andet prøve at udlede viden om de fjerne egne af universet, de kommer fra. Altså betragte neutrinoerne, der ikke har nogen elektrisk ladning, som en slags budbringere – fordi de kan tilbagelægge kosmiske distancer uden at deres kurs afbøjes af magnetfelter og uden at de bliver standset af det stof, de møder.

Men studier af den art kræver, at nogle af dem stoppes af en partikeldetektor – som tilfældet er med de høj-energi neutrinoer, der er undersøgt via det nye IceCube studie.

Standardmodellen holder

Mange fysikere har de seneste år via teoretisk baserede forudsigelser beskæftiget sig med forholdet mellem standardmodellen og de høj-energi neutrinoer, man har håbet at kunne ’få fingrene i’ ved hjælp af især IceCube, der er verdens største partikeldetektor.

Hovedantagelsen har været, at standardmodellen vil holde, selv om den testes i forhold til høj-energi neutrinoer med en energi 1.000 gange over, hvad der kan frembringes via LHC og andre acceleratorer her på Jorden.

Den tekniske term for denne antagelse, der nu altså er blevet bekræftet – med en statistisk usikkerhed på 20 procent og en systematisk usikkerhed på 40 procent - hedder ’cross section’, fortæller Jason Koskinen:

”Cross section udtrykker sandsynligheden for, at en neutrino rammer en anden partikel ved sit møde med Jorden. Og her siger den antagelse, der støtter standardmodellens gyldighed også ved høje energiniveauer, at jo mere energi en neutrino har, desto større er sandsynligheden for, at den rammer en anden partikel – og dermed potentielt bliver stoppet. Det er lige præcis det, vi kan vise i Nature-artiklen”.

’Tværsnittet’ – på engelsk the ’cross section’ – handler om sandsynligheden for, at en neutrino interagerer med en anden partikel, når den møder fast stof, i dette tilfælde Jorden. En række forskere, blandt andre professor Subir Sarkar fra Niels Bohr Institutet, har argumenteret for, at sandsynligheden for en sådan interaktion er størst hos høj-energi neutrinoer. Dette blev bekræftet af de nye undersøgelser foretaget ved hjælp af IceCube-anlægget i Antarktis. Samtidig kunne forskerne via IceCube også se, i hvilken vinkel hver enkelt høj-energi neutrino havde ramt Jorden. Illustration: Jason Koskinen

IceCube udstyret giver forskerne mulighed for at se, i hvilken vinkel, høj-energi neutrinoerne har ramt Jorden – og dermed hvordan og hvor langt gennem Jordens masse de hver især har rejst, inden de blev registreret af de kugleformede optiske sensorer dybt nede i iskappen tæt ved Sydpolen.

Dette kan også bruges til at skaffe ny viden om beskaffenheden af Jordens indre – hvilket er en af årsagerne til, at det 300 personer store forskerhold bag Nature-artiklen også inkluderer geologer.

Selv om IceCube er effektiv, er der ønske om at bygge en andengenerationsversion af anlægget – omkring ti gange så stor som det nuværende – og nogle forskere har endda luften ideen om at øge mulighederne for at skaffe ny viden om høj-energi neutrinoer radikalt ved at konstruere et anlæg, der vil ’dække’ 100 kubikkilometer is.

Baseret på en anden teknologi end den nuværende, men stadig beliggende ved Sydpolen.

Link to the article:

Photo and video: http://icecube.wisc.edu/gallery/press/view/2170

Subir Sarkar, professor, IceCube, Teoretisk partikelfysik og kosmologi på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Mobil: +45 21 28 91 57, Email: sarkar@nbi.ku.dk

David Jason Koskinen, adjunkt i IceCube, Discovery Center på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Mobil: +45 21 28 90 61, Email: koskinen@nbi.ku.dk

Morten Medici, postdoc, IceCube, Discovery Center, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Tlf: +45 3532-5454, Mobil: +45 6151-6454, Email: mmedici@nbi.ku.dk