IceCube şi prima detecţie de neutrini de mare energie provenind din cosmos

La 21 noiembrie 2013, la aproape 25 de ani de la formularea ideii care a stat la baza metodei de detecţie a neutrinilor prin gheaţă, echipa IceCube a anunţat observarea a 28 de evenimente în care au fost implicate particule având o foarte mare energie.

IceCube Neutrino Observatory, un detector de particule îngropat în gheaţa din Antarctica, este o dovadă a puterii pasiunii oamenilor dedicată descoperirilor ştiinţifice, locul în care ingeniozitatea ştiinţifică întâlneşte inovaţia tehnologică. Succesul anunţat la 21 noiembrie 2013 constituie o primă dovadă solidă pentru prezenţa neutrinilor proveniţi din acceleratoarele cosmice de particule.

Acesta este neutrinul cu cea mai mare energie care a fost observat vreodată, el având o energie estimată de 1,14 PeV. A fost detectat de către IceCube Neutrino Observatory de la Polul Sud în data de 3 ianuarie 2012. Fizicienii l-au denumit Ernie. Douăzeci şi opt de evenimente având energii în jurul şi mai mari de 30 TeV au fost observate în activitatea de căutare a neutrinilor de mare energie ce a fost desfăşurată în perioada mai 2010 - mai 2012 cu ajutorul detectoarelor de neutrini amplasate în cadrul IceCube. Credit imagine: IceCube Collaboration.

„Aceasta este prima dovadă a prezenţei neutrinilor ce au o energie foarte mare şi care provin din afara sistemului nostru solar, ei având energii mai mari de un milion de ori faţă de cele observate în anul 1987 în cadrul unei supernove aflate în Marele Nor al lui Magellan", spune Francis Halzen, cercetător principal al IceCube şi profesor de fizică în cadrul University of Wisconsin–Madison. „Este îmbucurător să vedem în cele din urmă ceea ce am căutat. Acesta este începutul unei noi ere în astronomie".

Detaliile activităţii de cercetare sunt prezentate într-un articol publicat în ediţia din data de 22 noiembrie 2013 a revistei Science.

Deoarece neutrinii interacţionează rareori cu materia, aceste particule subatomice care sunt aproape lipsite de masă ne pot furniza informaţii cu privire la fenomenele îndepărtate şi de mare energie care au loc în Univers. Miliarde de neutrini trec prin fiecare centimetru pătrat al Pământului în fiecare secundă, dar marea majoritate dintre ei provin din Soare sau din atmosfera Pământului.

Mult mai rari sunt neutrinii ce provin de la marginea galaxiei noastre sau de dincolo de aceasta şi despre care de mult timp s-a crezut că pot oferi indicii cu privire la obiectele cosmice ce au o energie foarte mare cum ar fi supernovele, găurile negre, pulsarii, nucleele galactice active şi alte fenomene extreme extragalactice, acestea fiind locul de unde pot proveni razele cosmice de mare energie.

Detectorul IceCube, care este utilizat în cadrul unei colaborări internaţionale (IceCube Collaboration) ce îşi are sediul central la Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) din cadrul UW–Madison (University of Wisconsin-Madison), a fost proiectat pentru a realiza două obiective ştiinţifice importante: măsurarea fluxului sau a ratei neutrinilor de foarte mare energie şi identificarea locului de unde provin aceştia.

Această imagine artistică prezintă detectorii de neutrini amplasaţi în cadrul IceCube, aflaţi sub gheaţa antarctică. IceCube conţine 5.160 detectori sensibili care sunt susţinuţi de 86 cabluri de oţel. Credit imagine: Jamie Yang, The IceCube Collaboration.

Analiza prezentată în cadrul revistei Science dezvăluie identificarea primului flux de neutrini de foarte mare energie care a fost observat vreodată cu un grad ridicat de certitudine (mai mare de 4 sigma) şi despre care se crede că provine din acceleratoarele cosmice.

„Pe baza indiciilor obţinute în urma analizelor IceCube anterioare, am folosit metode îmbunătăţite de analiză şi mai multe date pentru a face un important pas înainte în ceea ce priveşte căutarea acestor semnale astrofizice foarte greu detectabile", a spus purtătorul de cuvânt al IceCube Collaboration, Olga Botner, de la Uppsala University. „Lucrăm acum din greu pentru a îmbunătăţi modul în care interpretăm observaţiile noastre şi pentru a înţelege ce înseamnă aceste semnale şi de unde provin".

„IceCube este un telescop astronomic minunat şi unic — el este îngropat adânc în gheaţa din Antarctica, dar priveşte întregul Univers, detectând atât neutrinii ce trec prin Pământ şi provin din emisfera de nord a bolţii cereşti, cât şi pe cei ce provin din emisfera de sud", a spus Vladimir Papitashvili, din partea Division of Polar Programs a National Science Foundation (NSF).

„IceCube Neutrino Observatory a deschis o nouă eră în observaţiile astrofizice pe bază de neutrini", adaugă Jim Whitmore, din partea Physics Division a NSF care, alături de Papitashvili, conduce funcţionarea observatorului şi proiectele de cercetare din SUA. „El se află în fruntea întregului domeniu de cercetare astronomică pe bază de neutrini şi oferă acum observaţii care au fost de mult timp aşteptate atât de către fizicienii teoreticieni, cât şi de fizicienii experimentalişti".

Cei 28 de neutrini de mare energie au fost descoperiţi în datele colectate de detectorul IceCube în perioada mai 2010 - mai 2012, interval în care au fost analizate evenimentele în care au fost implicaţi neutrini având energii mai mari de 50 teraelectronvolt (TeV) şi care au provenit de oriunde din cer. Aceste evenimente nu pot fi explicate prin existenţa unor alte fluxuri de neutrini, precum cele formate din neutrini atmosferici şi nici de alte evenimente de mare energie cum ar fi formarea de miuoni ca urmare a interacţiunii dintre razele cosmice în atmosfera Pământului.

IceCube Laboratory, aflat la staţia polară Amundsen-Scott din Antarctica, găzduieşte calculatoarele care colectează datele primare. Datorită lăţimii de bandă alocată prin satelit, prima etapă de prelucrare a datelor şi filtrarea acestora au loc aproape în timp real în cadrul acestui laborator. Doar evenimentele selectate care prezintă interes pentru studiile fizicienilor sunt trimise la UW-Madison acolo unde sunt pregătite pentru a fi utilizate de către orice membru al IceCube Collaboration. Credit imagine: Sven Lidstrom. IceCube/NSF.

„Acum, că avem detectorul finalizat, am obţinut sensibilitatea necesară pentru a vedea aceste evenimente. După ce a identificat sute de mii de neutrini atmosferici am reuşit în sfârşit să identificăm ceva diferit", explică Halzen. „Am aşteptat acest lucru de mult timp".

IceCube este format din 5.160 de module optice digitale suspendate de-a lungul a 86 de cabluri încorporate într-un kilometru cub de gheaţă aflată la Polul Sud. Detectorul finanţat de National Science Foundation detectează neutrinii prin intermediul unor mici flash-uri de lumină albastră, numită lumina Cerenkov, care apar atunci când neutrinii interacţionează în gheaţă.

Detectorul IceCube a fost finalizat în decembrie 2010, după şapte ani de construcţie. A fost realizat la termen şi în limita bugetului alocat, iar în primii doi ani de operare s-a constatat că s-au depăşit specificaţiile de proiectare ale acestuia.

„Succesul lui IceCube se bazează pe eforturile a sute de oameni din întreaga lume", a spus Botner. „Colaboratorii IceCube au dovedit că totul este posibil, de la proiectarea şi amplasarea sa într-un mediu cu condiţii climatice dure, până la dovedirea fezabilităţii conceptului, obţinerea datelor şi analizele fenomenelor fizice. Tot acest efort concertat care a fost necesar a condus în cele din urmă la observaţiile prezentate în această lucrare. În prezent colaborarea noastră abordează o provocare suplimentară: cum să facem ca IceCube să aibă o contribuţie mai mare în astronomie".