Temna snov ostaja ena največjih skrivnosti v znanosti. Kljub desetletjem astronomskih dokazov o njegovem obstoju še nikomur ni uspelo najti nobenega znaka bližje domu. Za to je bilo vloženih na ducate prizadevanj in eden najvidnejših je pravkar dosegel mejnik – objava in analiza 8-letnih podatkov. The Nevtrinski observatorij IceCube bodo kmalu objavili rezultate teh 8 let, za zdaj pa se poglobimo v to, kaj točno iščejo.
Teorij je veliko o tem, kaj temna snov pravzaprav je, in nekatere od njih se osredotočajo na idejo temne snovi kot vrste delcev. Najbolj izstopajoči med njimi je Šibko interakcijski masivni delec (WIMP) . Fizika, ki stoji za WIMP, je eden od glavnih gonilnikov eksperimenta IceCube.
Videoposnetek, ki opisuje, kako deluje IceCube.
Zasluga – YouTube kanal IceCube Neutrino Observatory
Detektor nevtrinov se morda zdi nenavaden način iskanja WIMP-jev, vendar je fizika za njim dobro razumljena. Ko potujejo skozi velike kepe snovi 'standardnega modela' (t.j. tisto, kar si mislimo kot 'normalne' delce), lahko WIMPS izgubi energijo in se sčasoma gravitacijsko veže na telo, skozi katerega potuje. Tako bi bilo s planeti ali s Soncem. Tako bi lahko središče Zemlje skrivalo veliko, nevidno maso šibko medsebojno delujočih delcev.
Nemogoče bi bilo neposredno zaznati takšno združevanje WIMPS. Vendar pa bi znanstveniki lahko videli opozorilne znake z merjenjem proxy delca – nevtrini . Nevtrini, ki so sami po sebi znani po tem, da jih je težko zaznati, so posledica nekaterih teorij, kjer se WIMP-ji samouničijo z interakcijo s standardnim delcem. Ker jih je tako težko določiti, bi nevtrini, ki bi nastali iz tega procesa v kateri koli masi WIMP-jev v središču Zemlje, skoraj zagotovo lahko prešli skozi maso Zemlje in v vesolje.
Video Isaac Arthur, ki razpravlja o (znanih) lastnostih temne snovi.
Zasluga – kanal Isaac Arthur YouTube
Toda na poti jih lahko pobere detektor nevtrinov, kot je IceCube. Na podlagi geografskega Južni pol , IceCube je sestavljen iz 86 nizov digitalnih optičnih modulov, ki vsebujejo 5160 posameznih optičnih senzorjev, ki bodo zaznali vrsto svetlobe, ki jo ustvari Čerenkovsko sevanje ko kateri koli nevtrino interagira z drugim delcem. S triangulacijo svetlosti in dolgoživosti svetlobnega impulza lahko znanstveniki nato spremenijo hitrost in smer, v kateri je potoval nevtrino.
Glede na zahtevno naravo opreme in njene zanimive delce je zmanjšanje hrupa ključna sestavina IceCube. Del te strategije se izvaja z izolacijo – ne samo, da je zaznavna matrika zasnovana na enem najbolj izoliranih točk na Zemlji, ampak je tudi zakopana pod 1450 m ledu in se razteza skoraj navpični kilometer v globino.
Pogled navzdol v eno od lukenj detektorja IceCube.
Zasluge: IceCube Collaboration/NSF
Drugi del te strategije temelji na simulacijah, zlasti za oceno in odpravo hrupa v ozadju. Raziskovalna skupina IceCube, ki jo sestavljajo znanstveniki z vsega sveta, uporablja simulacije hrupa v ozadju, da bi odpravila napačne zaznave. Poleg tega so sposobni odstraniti nekatere vire nevtrinov, ki niso povezani z WIMP-ji, na primer, ko sistem zazna nevtrino, ki potuje proti zemeljskemu jedru in ne stran od njega. Najverjetneje te vrste nevtrinov povzročajo 'atmosferski nevtrini', ki nastanejo, ko kozmični žarki zadenejo zemeljsko atmosfero.
Ves ta trud je namenjen eni relativno preprosti nalogi – poskusu ugotoviti, kaj točno so WIMP. V jeziku fizike delcev to pomeni poskušati omejiti njihovo 'maso'. Kot pri mnogih stvareh v fiziki delcev se meri nekoliko drugače kot tako, da se nekaj preprosto postavi na tehtnico. Izmerjeno v 'elektronskih voltih' so raziskovalci preučili potencialne mase med 10GeV (giga elektron volti) do 10 TeV (tera elektron voltov). Ti razponi vključujejo mase, ki so za rede velikosti 'težje' od drugih dobro znanih subatomskih delcev, kot je Higgsov bozon (125 GeV) ali elektron (0,511 MeV).
Umetnikova risba postavitve observatorija IceCube.
Zasluge – IceCube Collaboration / NSF
Druga značilnost WIMP, ki so jo raziskave poskušale zožiti, je 'stopnja uničenja', to je, kako pogosto se WIMP dejansko uničijo in ustvarijo nevtrino, ki ga lahko IceCube nato zazna. Z uporabo napredne statistične analize so raziskovalci prišli do statistične verjetnosti tudi za različne razpone verjetnosti uničenja.
Kljub vsem dosedanjim delom končni rezultati še niso v celoti analizirani. Kaj bi lahko vsi ti rezultati pomenili za iskanje WIMP, je še vedno odprto vprašanje. Ekipa IceCube pričakuje, da bodo rezultati 'kmalu objavljeni'. Še več – podatki, ki so jih analizirali trenutno, so bili samo za obdobje 2011–2018, tako da so podatki še tri leta, ki jih še ni treba vključiti v to analizo.
Ekipa IceCube se fotografira pred namestitvenim stolpom po dokončanju nevtrinskega detektorja IceCube decembra 2010. Avtor fotografije: Chad Carpenter/NSF
Celotno delo, vloženo v draženje, kaj točno je temna snov, bi se lahko izplačalo. Navsezadnje ostaja eden največjih nepojasnjenih pojavov v fiziki delcev. In edini način, kako ga bodo znanstveniki lahko v celoti razumeli, je zbiranje podatkov na instrumentih, kot je IceCube, v prihodnjih letih.
Nauči se več:
arXiv - Poiščite temno snov iz središča Zemlje z 8-letnimi podatki IceCube
Univerza v Wisconsinu - Nevtrinski observatorij IceCube
UT - Zemlja ustavi občasne nevtrine
UT - Zaznavanje nevtrinov bi lahko pomagalo narisati popolnoma novo sliko vesolja
Vodilna slika:
Slika zgradbe na površju južnega tečaja, v katerem je nevtrinski observatorij IceCube.
Zasluga – Nevtrinski observatorij IceCube