Περίπου ένα τρισεκατομμύριο μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα περνούν από μέσα μας κάθε δευτερόλεπτο. Αυτά τα «λείψανα» νετρίνα, που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, υπάρχουν σε όλο το σύμπαν αλλά δεν μπορούν να σας βλάψουν. Στην πραγματικότητα, μόνο ένα από αυτά είναι πιθανό να αγγίξει ελαφρά ένα άτομο στο σώμα σας κατά τη διάρκεια της ζωής σας.
Τα περισσότερα νετρίνα που παράγονται από αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες έχουν πολύ περισσότερη ενέργεια από τα λείψανα νετρίνας που επιπλέουν στο διάστημα. Παρόλο που αυτά τα υψηλής ενέργειας νετρίνα είναι πολύ πιο σπάνια, είναι πιο πιθανό να συγκρουστούν με κάτι και να παράγουν ένα σήμα που μπορούν να ανιχνεύσουν φυσικοί σαν εμένα. Αλλά για να τα εντοπίσουν, οι φυσικοί των νετρίνων έπρεπε να οργανώσουν πολύ μεγάλα πειράματα.
Το IceCube, ένα τέτοιο πείραμα, κατέγραψε έναν ιδιαίτερα σπάνιο τύπο αστροφυσικών νετρίνων ιδιαίτερα υψηλής ενέργειας σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε τον Απρίλιο του 2024. Αυτά τα υψηλής ενέργειας νετρίνα συχνά μεταμφιέζονται σε άλλους, πιο συνηθισμένους τύπους νετρίνων. Αλλά για πρώτη φορά, οι συνάδελφοί μου και εγώ καταφέραμε να τα ανακαλύψουμε, αντλώντας μερικά από δεδομένα σχεδόν μιας δεκαετίας.
Η παρουσία τους φέρνει ερευνητές σαν εμένα ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση του μυστηρίου του πώς σχηματίζονται αρχικά σωματίδια υψηλής ενέργειας όπως τα αστροφυσικά νετρίνα.
Παρατηρητήριο IceCube
Το IceCube Neutrino Observatory είναι ο γορίλας των 800 λιβρών μεγάλων πειραμάτων νετρίνων. Διαθέτει περίπου 5.000 αισθητήρες που κοιτάζουν επίμονα έναν γιγάτον πάγου κάτω από τον Νότιο Πόλο για πάνω από μια δεκαετία. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα άτομο στον πάγο, δημιουργεί μια μπάλα φωτός που καταγράφουν οι αισθητήρες.
Το IceCube έχει ανακαλύψει νετρίνα που προέρχονται από διάφορα μέρη, όπως η ατμόσφαιρα της Γης, το κέντρο του Γαλαξία μας και μαύρες τρύπες σε άλλους γαλαξίες πολλά έτη φωτός μακριά.
Αλλά το ταυ νετρίνο, ένας τύπος νετρίνου ιδιαίτερα υψηλής ενέργειας, έχει μέχρι στιγμής ξεφύγει από το IceCube.
Γεύσεις νετρίνο
Τα νετρίνα έρχονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους, τους οποίους οι φυσικοί αποκαλούν γεύσεις. Κάθε γεύση αφήνει μια μοναδική εντύπωση σε έναν ανιχνευτή όπως το IceCube.
Συνήθως, όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα άλλο σωματίδιο, παράγει ένα φορτισμένο σωματίδιο που ταιριάζει με τη γεύση του. Ένα νετρίνο μιονίου δημιουργεί ένα μιόνιο, ένα νετρίνο ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο ταυ δημιουργεί ένα ταυ.
Τα νετρίνα με γεύση μιόνιο έχουν την πιο χαρακτηριστική υπογραφή, οπότε φυσικά οι συνάδελφοί μου και εγώ στη συνεργασία του IceCube τα ψάξαμε πρώτα. Το μιόνιο που εκπέμπεται σε μια σύγκρουση μιονίου-νετρίνου ταξιδεύει μέσα από εκατοντάδες μέτρα πάγου, αφήνοντας ένα μακρύ ίχνος ανιχνεύσιμου φωτός πριν αποσυντεθεί. Αυτή η διαδρομή επιτρέπει στους ερευνητές να εντοπίσουν την προέλευση του νετρίνου.
Στη συνέχεια, η ομάδα εξέτασε τα νετρίνα ηλεκτρονίων, των οποίων οι αλληλεπιδράσεις παράγουν μια κατά προσέγγιση σφαιρική μπάλα φωτός. Το ηλεκτρόνιο που δημιουργείται από μια σύγκρουση ηλεκτρονίου-νετρίνου δεν διασπάται ποτέ και χτυπά οποιοδήποτε σωματίδιο στον πάγο που πλησιάζει. Αυτή η αλληλεπίδραση αφήνει μια διαστελλόμενη σφαίρα φωτός πριν το ηλεκτρόνιο τελικά ηρεμήσει.
Δεδομένου ότι η κατεύθυνση του νετρίνου ηλεκτρονίων είναι δύσκολο να δει κανείς με γυμνό μάτι, οι φυσικοί του IceCube χρησιμοποίησαν τεχνικές μηχανικής μάθησης για να καταλάβουν από πού μπορεί να προέρχονται τα νετρίνα ηλεκτρονίων. Αυτές οι τεχνικές χρησιμοποιούν εξελιγμένους υπολογιστικούς πόρους και συντονίζουν εκατομμύρια παραμέτρους για να διαχωρίσουν τα σήματα νετρίνων από όλα τα γνωστά υπόβαθρα.
Ο τρίτος τύπος νετρίνου, το ταυ νετρίνο, είναι ο χαμαιλέοντας του τριού. Ένα ταυ νετρίνο μπορεί να εμφανιστεί ως ίχνος φωτός, ενώ το επόμενο μπορεί να εμφανιστεί ως σφαίρα. Το σωματίδιο ταυ που δημιουργείται στη σύγκρουση κινείται για ένα μικροσκοπικό κλάσμα του δευτερολέπτου πριν αποσυντεθεί και όταν διασπάται δημιουργεί συνήθως μια μπάλα φωτός.
Αυτά τα ταυ νετρίνα δημιουργούν δύο μπάλες φωτός, μία στην οποία πρώτα συγκρούονται με κάτι και δημιουργούν ταυ, και μία στην οποία το ίδιο το ταυ διασπάται. Το σωματίδιο ταυ συνήθως διασπάται μετά από πολύ μικρή απόσταση, με αποτέλεσμα οι δύο μπάλες φωτός να επικαλύπτονται τόσο πολύ που δεν μπορούν πλέον να διακριθούν από μία μόνο μπάλα.
Αλλά σε υψηλότερες ενέργειες, το εκπεμπόμενο σωματίδιο ταυ μπορεί να ταξιδέψει δεκάδες μέτρα, με αποτέλεσμα δύο ξεχωριστές σφαίρες φωτός. Οι φυσικοί οπλισμένοι με αυτές τις τεχνικές μηχανικής μάθησης μπορούν να το δουν και να βρουν τη βελόνα στα άχυρα.
Ενεργητικά ταυ νετρίνα
Χρησιμοποιώντας αυτά τα υπολογιστικά εργαλεία, η ομάδα κατάφερε να εξαγάγει επτά ισχυρά υποψήφια ταυ νετρίνα από δεδομένα περίπου δέκα ετών. Αυτοί οι Taus είχαν υψηλότερες ενέργειες ακόμη και από τους πιο ισχυρούς επιταχυντές σωματιδίων στη Γη, που σημαίνει ότι πρέπει να προέρχονται από αστροφυσικές πηγές όπως οι μαύρες τρύπες.
Αυτά τα δεδομένα επιβεβαιώνουν την προηγούμενη ανακάλυψη αστροφυσικών νετρίνων από τον IceCube και επιβεβαιώνουν μια ένδειξη που είχε επισημάνει προηγουμένως ο IceCube για τα αστροφυσικά ταυ νετρίνα.
Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν επίσης ότι ακόμη και στις υψηλότερες ενέργειες και σε μεγάλες αποστάσεις, τα νετρίνα συμπεριφέρονται σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως και στις χαμηλότερες ενέργειες.
Συγκεκριμένα, η ανίχνευση αστροφυσικών ταυ νετρίνων επιβεβαιώνει ότι τα υψηλής ενέργειας νετρίνα από μακρινές πηγές αλλάζουν γεύση ή ταλαντώνονται. Τα νετρίνα πολύ χαμηλότερης ενέργειας που διανύουν πολύ μικρότερες αποστάσεις επίσης ταλαντώνονται με τον ίδιο τρόπο.
Καθώς το IceCube και άλλα πειράματα νετρίνων συλλέγουν περισσότερα δεδομένα και οι επιστήμονες βελτιώνονται στη διάκριση των τριών παραλλαγών νετρίνων, οι ερευνητές θα μπορούν τελικά να μαντέψουν πώς δημιουργούνται τα νετρίνα από τις μαύρες τρύπες. Θέλουμε επίσης να μάθουμε εάν ο χώρος μεταξύ της Γης και αυτών των μακρινών αστροφυσικών επιταχυντών νετρίνων αντιμετωπίζει τα σωματίδια διαφορετικά ανάλογα με τη μάζα τους.
Σε σύγκριση με τα πιο άφθονα νετρίνα που προέρχονται από τη Μεγάλη Έκρηξη, θα υπάρχουν όλο και λιγότερα ταυ νετρίνα υψηλής ενέργειας και τα μιόνια και τα ξαδέλφια τους ηλεκτρονίων. Αλλά υπάρχουν αρκετά από αυτά για να βοηθήσουν επιστήμονες σαν εμένα να αναζητήσουν τους πιο ισχυρούς εκπομπούς νετρίνων στο σύμπαν και να εξερευνήσουν τον απεριόριστο χώρο στο ενδιάμεσο.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το έγραψε: Doug Cowen, Penn State
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Doug Cowen λαμβάνει χρηματοδότηση από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.