10. marts 2021

60 år gammel forudsigelse fra Niels Bohr Institutet bekræftet af Ice Cube samarbejdet

NEUTRINO forskning:

Forskere fra Niels Bohr Institutet tager aktivt del i det internationale samarbejde, som observerer resonante interaktioner af høj-energi neutrinoer i Antarktis. Observationen bekræfter en forudsigelse, som blev gjort af den senere nobelprismodtager, Sheldon Glashow, da han var ansat på Niels Bohr Institutet tilbage i 1960.

IceCube-laboratoriet på Sydpolen.
IceCube-laboratoriet på Sydpolen. Det er i denne bygning computerserverne står, der indsamler data fra IceCubes sensorer nede i isen.

Den 6. december 2016 fór en højenergi partikel, en såkaldt elektronneutrino, mod Jorden fra det ydre rum med en hastighed tæt på lysets. Dens energiniveau var 6,3 petaelektronvolt (PeV) – et meget højt niveau. Dybt inde i iskappen ved Sydpolen, ramte den en elektron og producerede dermed en partikel, som hurtigt henfaldt til en kaskade af sekundære partikler. Interaktionen blev fanget af det enorme teleskop, ved navn IceCube Neutrino Observatory, som er bygget under isens overflade ved Sydpolen.

Ice Cube havde observeret en ”Glashow-resonans-hændelse”, et fænomen, som var forudsagt af fysikeren Sheldon Glashow, senere nobelprismodtager, allerede i 1960. Denne måling bekræftede endnu en gang fysikkens standardmodel, som forklarer hvordan alle kendte partikler er placeret og interagerer. Målingen demonstrerede også Ice Cubes potentiale, idet man her måler på de mystiske, næsten masseløse og ganske gådefulde partikler, som kaldes neutrinoer. Resultatet er nu publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Sheldon Glashow foreslog første gang denne resonans i 1960, da han var ansat som forsker i en postdoc-stilling på det daværende ”Institut for Teoretisk Fysik”, senere Niels Bohr Institutet. I en kort artikel, publiceret i Physical Review, forudsagde han at en antineutrino (neutrinoens anti-stof tvilling) kunne interagere med en elektron og producere en hidtil ukendt partikel – hvis neutrinoen havde lige præcis den rette energi – gennem en proces kendt som resonans.

A schematic of the in-ice portion of IceCube
En skematisk oversigt over den del af IceCube, der befinder sig nede i isen, som inkluderer 86 strenge, der holder 5.160 lyssensorer arrangeret i et tredimensionelt sekskantet gitter.

Da den foreslåede partikel, en W -boson, endelig blev opdaget i 1983, viste den sig at være meget tungere end Glashow og hans kolleger havde forventet i 1960. En Glashow-resonans-hændelse kræver en neutrino med en energi på 6,3 PeV, næsten 1000 gange højere energi end dét CERNs partikelaccelerator, Large Hadron Collider, kan producere. Rent faktisk kan ingen menneskeskabt partikelaccelerator på Jorden, hverken nuværende eller planlagt, producere en neutrino med så højt et energiniveau.

Men hvad med en naturlig accelerator – ude i rummet?

De supertunge sorte huller i centrum af galakser eller andre ekstreme kosmiske hændelser kan generere partikler med energier, som er umulige at opnå på Jorden. Og det var sådan en hændelse, som var ansvarlig for 6,3 PeV energien, som nåede frem til IceCube i 2016.

”Da Glashow var postdoc på Niels Bohr Institutet kunne han umuligt have forestillet sig, hvordan hans ukonventionelle forslag til, hvordan en W -boson kan produceres af en antineutrino fra en fjern galakse, som smadrede ind i den antarktiske is”, siger Francis Halzen, Gregory Breit and Hilldale Professor ved University of Wisconsin-Madison, hovedkvarteret for IceCube vedligeholdelse og drift, samt PI, principal investigator ved IceCube.

Siden IceCube begyndte driften i 2011, har observatoriet detekteret hundreder af høj-energi astrofysiske neutrinoer og har produceret en lang række betydningsfulde, videnskabelige resultater indenfor partikel-astrofysik, inklusive opdagelsen af et astrofysisk neutrino flux i 2013 og den første identifikation af en kilde til astrofysiske neutrinoer i 2018. Alligevel er Glashow-resonans-hændelsen særligt bemærkelsesværdig på grund af dens høje energiniveau. Den er en af blot tre hændelser med højere energiniveauer end 5 PeV, som nogensinde er detekteret af IceCube.

For at kunne bekræfte detektionen og lave en mere håndfast måling af forholdet mellem neutrinoer og antineutrinoer, vil man meget gerne se flere Glashow-resonanser i IceCube samarbejdet. En foreslået udvidelse af IceCube detektoren, IceCube-Gen2, vil kunne sætte forskerne i stand til at lave denne type målinger på en statistisk holdbar måde. Samarbejdet annoncerede for nylig den opgradering af detektoren, som bliver implementeret over de næste få år, - det første skridt på vejen mod IceCube-Gen2.

Glashow, som nu er professor emeritus i fysik ved Boston University, bifalder også ønsket om flere detektioner af Glashow-resonans-hændelser. ”for at kunne være helt sikre, burde vi se endnu en hændelse ved samme energiniveau som den tidligere”, siger han. ”Indtil nu har vi én, og en dag kommer der flere”.

Sidst, men ikke mindst, er resultatet en triumf for det internationale samarbejde. Siden 2013 har Niels Bohr Institutet været fuldgyldigt medlem af IceCube samarbejdet, hvilket spænder over mere end 400 forskere, ingeniører og medarbejdere fra 53 institutioner i 12 lande. Analytikerne på denne artikel arbejdede sammen på tværs af Asien, Nordamerika og Europa.

”Forbindelsen mellem en teori, som blev udviklet for 60 år siden og dette utrolige, eksperimentelle resultat fra IceCube illustrerer potentialet for nye opdagelser og observationer på neutrinoforskningens spydspids”, siger Jason Koskinen, lektor ved og leder af den lokale IceCube forskningsgruppe ved Niels Bohr Institutet.

”Observationen af denne Glashow resonans viser vores detektors store alsidighed”, siger Markus Ahlers, adjunkt ved Niels Bohr Institutet og IceCube forsker.  ”Ikke alene er vi med på forkanten af neutrino astronomi, vi er også i stand til at undersøge fundamentale neutrino egenskaber.

 Visualizations of IceCube data for the Glashow event, adapted from the Nature paper.
Visualiseringer af IceCube-data til Glashow-begivenheden, tilpasset fra den videnskabelige artikel i Nature.

Link til den videnskabelige artikel:

“Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube,” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al. Nature: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03256-1