Typ | Hvězdárna Neutrino |
---|---|
Adresa | Oblast Smlouvy o Antarktidě ( d ) |
Kontaktní informace | 89 ° 59 ′ 24 ″ J, 63 ° 27 ′ 11 ″ Z |
webová stránka | icecube.wisc.edu |
IceCube Neutrino Observatory (nebo jednoduše IceCube , doslova Ice Cube v angličtině) je neutrino observatoř postavena na jižním pólu . Jeho tisíce senzorů jsou umístěny pod antarktickým ledem, rozloženým na kubickém kilometru .
IceCube se skládá z 5 484 optických detektorů nazývaných digitální optické moduly, z nichž každý obsahuje fotonásobič (PMT) a kartu pro sběr dat, která odesílá digitální data do sběrné stanice na povrchu detektoru. Tyto optické moduly jsou rozmístěny na linkách po 60 modulech, každý v hloubkách mezi 1450 a 2450 metry v otvorech roztavených v ledu pomocí vrtačky s horkou vodou. Nasazení IceCube skončilo 18. prosince 2010.
IceCube je navržen k hledání astrofyzikálních neutrin. Jeho optické moduly skutečně umožňují detekovat malý počet fotonů emitovaných během interakce vysokoenergetického neutrina kolem detektoru. Prostorové a časové rozložení světla umožňuje rekonstruovat směr dopadajícího neutrina za účelem identifikace jeho zdroje. Identifikace bodových zdrojů vysokoenergetických neutrin v rozsahu TeV by umožnila identifikovat zdroje kosmického záření a studovat procesy jejich zrychlení.
V listopadu 2013 bylo oznámeno, že IceCube detekoval 28 neutrin, o nichž se předpokládá, že jsou astrofyzikálního původu. Tyto výsledky byly od té doby potvrzeny a vylepšeny.
IceCube je jedním z řady projektů vyvinutých a kontrolovaných University of Wisconsin v Madisonu . Členové spolupráce a financování pocházejí z mnoha dalších univerzit a výzkumných ústavů z celého světa. Nasazení IceCube bylo možné pouze během jihu antarktického léta od listopadu do února, kdy trvalé sluneční světlo umožňuje 24hodinové vrtání. Stavba začala v roce 2005, kdy byla nasazena první řada IceCube a bylo shromážděno dostatek dat k ověření, že optické senzory fungují správně. Během sezóny 2005-2006 bylo nasazeno dalších osm linek, což z IceCube učinilo největší neutrinový dalekohled na světě. Nasazení pokračovalo až do 17. prosince 2010 u celkem 86 linek. Celkové náklady na projekt jsou 279 milionů USD.
Sezóna | Počet instalovaných linek | Celkový počet řádků |
---|---|---|
2005 | 1 | 1 |
2005–2006 | 8 | 9 |
2006–2007 | 13 | 22 |
2007–2008 | 18 | 40 |
2008–2009 | 19 | 59 |
2009-2010 | 20 | 79 |
2010 | 7 | 86 |
Observatoř IceCube Neutrino se kromě hlavní mřížky v ledu skládá z několika subdetektorů.
IceCube Upgrade je navrhovaná expanze, která umožní detekci nízkoenergetických neutrin (energetická stupnice GeV) s využitím, jako je stanovení hmotnostní hierarchie neutrin nebo zlepšení úhlového rozlišení. Byla představena vize větší observatoře IceCube-Gen2.
Neutrina jsou elektricky neutrální leptony a velmi zřídka interagují s hmotou. Je to kvůli této velmi nízké pravděpodobnosti interakce neutrin, že pro detekci dostatečného množství neutrin je zapotřebí objem jednoho kubického kilometru . Když reagují s molekulami vody v ledu, mohou vytvářet nabité leptony ( elektrony , miony nebo taus ). Tyto nabité leptony mohou, jsou-li dostatečně energetické, emitovat Čerenkovovo záření . K tomu dochází, když nabitá částice prochází ledem rychleji, než je rychlost světla v ledu. Toto světlo pak může být detekováno fotonásobiči elektronek optických modulů tvořících IceCube.
Signály z trubek fotonásobiče jsou digitalizovány a odeslány na povrch ledovce kabelem. Shromažďují se v povrchové počítací stanici, celkem asi 1 TB / den. Nejvýznamnější signály jsou posílány přímo do výpočetního centra University of Wisconsin na severní polokouli prostřednictvím satelitu pro další analýzu. Od roku 2014 se na pevné disky místo magnetických pásek ukládají data, která jsou lodí posílána na sever jednou ročně. Jakmile se data dostanou k experimentátorům, mohou rekonstruovat směr a energii detekovaných neutrin. Vysokoenergetická neutrina mohou v detektoru způsobit velký signál, který udává přibližný směr jejich zdroje. Agregáty těchto neutrinových směrů umožňují identifikovat bodové zdroje neutrin.
Měření neutrin pomocí IceCube a jejich rekonstrukce vyžaduje určitou minimální energii neutrin, proto je IceCube citlivý hlavně na vysokoenergetická neutrina, a to v rozmezí 10 11 až 10 21 eV .
IceCube je citlivější na miony než na jiné nabité leptony, protože jsou nejpronikavější, a proto mají v detektoru nejdelší stopy. Mezi příchutěmi neutrin je tedy IceCube nejcitlivější na mionová neutrina. Elektron vyplývající ze vzájemného působení elektronů neutrin v detektoru bude indukovat elektromagnetické kaskády způsobující ke ztrátě jeho energii do vzdálenosti asi deseti metrů, což tyto události téměř kulovitý morfologii. To znamená, že je obtížné získat dobré úhlové rozlišení pro události elektronových neutrin . Je však pravděpodobnější, že budou zcela obsaženy v detektoru, a proto mohou být užitečné pro energetické studie nebo vyhledávání velkých zdrojů.
Tyto tau leptony mají krátkou životnost a nemohou cestovat daleko před rozpadá, takže oni jsou obvykle k nerozeznání elektronové kaskády. Nicméně tau lepton mohou být odlišeny od elektronu s „dvojitě třesku“ případě, je-li kaskáda vidět jak na vytvoření a rozpadu tau . To je možné s velmi vysokou energií tau řádu ENP. Takový výzkum identifikoval dvě události dvojitého třesku, které umožnily omezit emisní scénáře astrofyzikálních neutrin.
Existuje velké pozadí mionů vytvořených nikoli neutriny z astrofyzikálních zdrojů, ale kosmickými paprsky interagujícími s atmosférou nad detektorem. Tam je přibližně 106 krát více kosmického záření muons než miony neutrin indukované pozorované v IceCube. Většinu z nich lze odmítnout pomocí skutečnosti, že pocházejí z horní části detektoru, takže události shora dolů jsou odmítnuty. Většina zbývajících událostí pochází z neutrin, ale většina z těchto neutrin je také z hluku pozadí. Interakce kosmických paprsků s atmosférou na druhé straně Země skutečně produkuje také neutrina. Tato neutrina však mají nižší energie a nekorelují s astrofyzikálními zdroji. IceCube proto hledá neutrina s vysokou energií z kosmických bodových zdrojů. Odhady předpovídají detekci asi 75 kosmických neutrin denně v detektoru IceCube. Směry příjezdu těchto astrofyzikálních neutrin jsou body, s nimiž dalekohled IceCube mapuje oblohu. Ke statistickému rozlišení těchto dvou typů neutrin se odhaduje směr a energie přicházejícího neutrina z jeho kolizních vedlejších produktů. Neočekávané přebytky energie nebo přebytky daného prostorového směru naznačují astrofyzikální zdroj.
Detekce bodových zdrojů neutrin by mohla pomoci vysvětlit záhadu původu nejenergetičtějších kosmických paprsků. Tyto kosmické paprsky mají dostatečně vysokou energii, aby je nemohly zachytit galaktická magnetická pole (jejich Larmorovy paprsky jsou větší než poloměr galaxie), takže se předpokládá, že pocházejí z mimogalaktických zdrojů. Astrofyzikální události, které jsou dostatečně kataklyzmatické, aby urychlily částice na takové energie, také pravděpodobně vytvoří vysokoenergetická neutrina, která by mohla cestovat na Zemi, aniž by byla odkloněna, protože neutrina jsou elektricky neutrální. IceCube mohla pozorovat tato neutrina: jeho pozorovatelný energetický rozsah je kolem 100 GeV až několik PeV. Čím energičtější událost, tím více ji lze detekovat na velkém objemu IceCube; v tomto smyslu je IceCube více podobný čerenkovským dalekohledům, jako je observatoř Pierra Augera (pole vodní nádrže pro čerenkovskou detekci kosmických paprsků), než jiným experimentům s neutriny, jako je Super-K (s fotonásobiči směřujícími dovnitř, které fixují referenční objem) .
IceCube je citlivější na bodové zdroje na severní polokouli než na jižní polokouli. Může pozorovat astrofyzikální neutrinové signály z libovolného směru, ale neutrina přicházející ze směru jižní polokoule jsou ohromena hlukem pozadí atmosférických mionů. Hledání raných bodových zdrojů IceCube je tedy zaměřeno na severní polokouli a rozšíření bodových zdrojů na jižní polokouli vyžaduje další práci.
Když se protony srazí mezi sebou nebo s fotony , výsledkem jsou obvykle piony . Nabité piony se rozpadají na miony a mionová neutrina, zatímco neutrální piony se rozpadají na gama paprsky . Potenciálně se tok neutrin a tok gama záření mohou shodovat v některých zdrojích, jako jsou záblesky gama záření a zbytky supernov . Data IceCube se používají ve spojení se satelity gama záření jako Swift nebo Fermi k hledání takového náhodného signálu. To mělo za následek detekci neutrina IceCube v roce 2017 shodného s blazar TXS 0506 + 056, který byl v aktivním stavu, a poté detekci neutrina shodného s událostí narušení v roce 2019.
Potenciál slabě interagujících masivních částic (WIMP) (možné řešení problému temné hmoty ) by mohl být zachycen gravitací pomocí masivních objektů, jako je Slunce nebo galaktický střed . S dostatečně vysokou hustotou těchto částic by mohly navzájem zničit významnou rychlostí. Produkty této likvidace se mohly rozpadnout na neutrina, což IceCube pozoroval jako přebytek neutrin pocházejících ze směru Slunce nebo z galaktického středu . Tato technika hledání produktů rozpadu zničení WIMP se nazývá „nepřímá“, na rozdíl od přímého hledání, které hledá tmavou hmotu interagující uvnitř detektoru. WIMP solární vyhledávání jsou mnohem citlivější na spin- závislé WIMP modelů než mnoho přímého vyhledávání, protože Slunce se skládá z prvků, které jsou lehčí než přímé detektory vyhledávání (například xenonové nebo germania ). IceCube díky tomuto výzkumu stanovila limity na modelech WIMP .
IceCube může pozorovat oscilace neutrin z atmosférických sprch kosmického záření na základní linii přes Zemi. Je nejcitlivější při ~ 25 GeV, energetickém rozsahu, pro který byla optimalizována podsíť DeepCore. DeepCore se skládá ze 6 linek nasazených během australského léta 2009–2010 s užšími vodorovnými a svislými rozteči. Data DeepCore byla použita ke stanovení úhlu míchání θ 23 . Jelikož se sbírá více dat a IceCube může toto měření zpřesnit, je také možné pozorovat charakteristickou změnu oscilačního vzoru při energii ~ 15 GeV, která určuje hmotnostní hierarchii neutrin.
Navzdory skutečnosti, že jednotlivá neutrina očekávaná od supernov mají energie hluboko pod mezní hodnotou energie IceCube, mohla IceCube detekovat místní supernovu. Ve skutečnosti by se tento signál jevil jako krátké a korelované zvýšení hladin šumu pozadí v celém detektoru. Supernova by musely být poměrně blízko (v naší galaxii) získat dostatek neutrin, protože tok závisí na převrácené hodnotě čtvercem vzdálenosti (1 / d 2 ). Tyto supernovy galaxie jsou vzácné, poslední den roku 1987 . IceCube je členem SNEWS, systému včasného varování Supernova, který kombinuje signály supernov z různých detektorů neutrin, aby určil jejich směr a odeslal výstrahu v reálném čase komunitě astrofyziků, aby je povzbudil k nasměrování svých nástrojů tímto směrem, pokud budou detekovány.
Sterilní podpis neutrina by byl zkreslením energetického spektra atmosférických neutrin kolem 1 TeV, které IceCube dokáže měřit. Tento podpis by byl výsledkem účinků interakce atmosférických neutrin se Zemí během jejich šíření.
V roce 2016 vědci IceCube nenašli žádný důkaz o sterilním neutrinu.
IceCube spolupráce publikovány limity pro neutrin toků z bodových zdrojů, gama záblesků a neutralino zničení ze slunce, které mají význam pro průřez interakce mezi wimps a protony .
Byl pozorován stínový efekt Měsíce. Je to proto, že kosmické paprsky mohou být Měsícem blokovány, což vytváří muonový deficit vyplývající z kaskád kosmických paprsků směrem k Měsíci. Ve směru kosmických paprsků byla pozorována slabá (méně než 1%), ale robustní anizotropie .
V roce 2013 byla detekována dvojice vysokoenergetických neutrin. Pravděpodobně astrofyzikálního původu, vzhledem k jejich energiím, v rozsahu PeV . Pár dostal přezdívku „Bert“ a „Ernie“ podle postav z televizní show Sesame Street . Od té doby byla objevena další ještě energičtější neutrina, například událost nazvaná „ Velký pták “.
IceCube, díky DeepCore, měřil zmizení nízkoenergetických atmosférických muonových neutrin, což je způsobeno fenoménem neutrinové oscilace . To umožnilo provádět měření parametrů oscilace neutrin ∆m 2 32 = 2,310,11
-0,13× 10 −3 eV 2 a sin 2 (θ 23 ) = 0,51+0,07
−0,09 (normální masová hierarchie), srovnatelné s jinými výsledky.
V červenci 2018 observatoř IceCube Neutrino oznámila, že identifikovala neutrino s velmi vysokou energií, které zasáhlo jeho detektor v září 2017, a rekonstruovalo svůj původní směr tak, aby byl shodný s detekovaným Blazarem TXS 0506 + 056, který byl detekován jinými přístroji. v aktivním stavu. TXS 0506 + 056 se nachází 5,7 miliardy světelných let ve směru souhvězdí Orion . Toto je první identifikace astrofyzikálního zdroje vysokoenergetických neutrin pomocí neutrinového dalekohledu . To pomáhá identifikovat tento zdroj jako zdroj vysokoenergetických kosmických paprsků .
V roce 2020 byla oznámena detekce anti-neutrina jeho interakcí s elektronem, nazývaná rezonance Glashow , která potvrzuje teoretickou předpověď z roku 1959.