IceCube opservatorija: slika Mliječnog puta u svjetlu neutrina

Po prvi put, ovdje je naša galaksija viđena u “svjetlu” neutrina. Ovo je bilo izvanredno postignuće tima na detektoru IceCube.

Po prvi put, neutrinska opservatorija IceCube proizvela je sliku Mliječnog puta pomoću neutrina – neobičnih elementarnih čestica koje nemaju baš neku interakciju s materijom, nemaju električni naboj i tako nemaju interakcije s elektromagnetnim poljem i teško ih je detektovati. Zapravo oni su na neki način čestice-duhovi (ghost particles). Oni, prema standardnom modelu, spadaju u elementarne čestice, i to fermione baš kao mioni, elektroni i kvarkovi. Njihova neuhvatljivost – i činjenica da mijenjaju svojstva, “okuse”, u toku vremena, čini ih izazovnim za istraživanja.

U članku koji je objavljen 30. juna 2023. godine , u časopisu Science, pod naslovom “Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane” IceCube Collaboration, međunarodna grupa od preko 350 naučnika, predstavlja dokaze o emisiji neutrina visoke energije iz Mliječnog puta.

IceCube predstavlja detektor neutrina visoke energije. Osjetljivije analize, zajedno s implementacijom metoda mašinskog učenja, bile su ključne za napredak.

“Ovo posmatranje Mliječnog puta s neutrinima visoke energije približit će nas pronalasku specifičnih izvora unutar galaksije. Još jednom, neutrini su nam dali novu leću kojom možemo posmatrati nepoznati svemir”, napisali su u Tweetu iz IceCube kolaboracije.

 

Šta je IceCube i gdje se nalazi?

IceCube opservatorija je bukvalno kocka leda.To je veliki detektor koji radi na Amundsen-Scott postaji Južnog pola. Izgrađen je i njime se upravlja uz financiranje Nacionalne fondacije za nauku (NSF) i dodatnu potporu četrnaest zemalja koje su domaćini institucionalnim članovima IceCube Collaboration. Ovaj jedinstveni detektor obuhvata kubični kilometar dubokog antarktičkog leda opremljenog s preko 5000 svjetlosnih senzora. IceCube traži znakove visokoenergetskih neutrina koji potječu iz naše galaksije i šire, sve do najudaljenijih dijelova svemira.

Jako je teško “uloviti” neutrina, s obzirom na to da su gotovo bez mase i da nemaju interakcije s materijom i elektromagnetnim poljem. Budući da su te interakcije rijetke i proizvode svjetlost koja se može protezati preko kilometra, IceCubeu je potrebno mnogo atoma leda da uhvati jedan jedini događaj. Južni pol je jedino mjesto na Zemlji koje sadrži tako velike količine prozirnog, čistog i stabilnog leda i ima infrastrukturu za podršku naučnim istraživanjima.

Zašto je teško otkriti neutrina

Svake sekunde trilioni neutrina projure kroz naša tijela brzinom bliskom svjetlosti a da nam ništa ne naude. Dok su neutrini nevjerojatno česti – oni su najzastupljenija čestica u svemiru iza fotona – nevjerojatno ih je teško detektovati. Zapravo, blok dugačak jednu svjetlosnu godinu od olova zaustavio bi samo polovicu neutrina koje proizvodi Sunce.

Ipak, postoji jedna dobra stvar u svemu tome: pošto nemaju naboj, neutrina ne skreću nigdje prema elektromagnetnom polju. To znači da putuju pravolinijski. Zato i mogu biti glasnici iz daljine i prošlosti svemira.

Osim toga što jako teško stupaju u interakcije, praktično nikako, u ovom eksperimentu su “lovljeni” neutrini iz dalekih dijelova naše galaksije – oni koje naučnici zovu “astrofizički neutrini”, a ne oni sa Sunca. Ovi neutrini imaju iznimno visoke energije, a istraživači sumnjaju da ih proizvode i ubrzavaju neki od najkataklizmičnijih fenomena u svemiru: hipernove, spajanja neutronskih zvijezda, brze radijske izboje i drugo.

No naučnici moraju biti sigurni da je signal zaista od tih neutrina, a ne od nekih koji nastaju visoko u Zemljinoj atmosferi. Ti neutrini iz daleka su svjedoci vremena početka univerzuma.

IceCube indirektno opservira neutrina – detektujući jednu drugu česticu, mion koji stvara Čerenkovljevo zračenje. Čerenkovljeva radijacija je emisija elektromagnetskog zračenja koje nastaje kada brze čestice s nabojem prolaze kroz optičku sredinu brzinom većom od brzine širenja svjetlosti u istome mediju.

E, mion (muon) već ima naboj i stoga se može detektovati. Nuklearna reakcija koju stvara jedan neutrino proizvodi struju čestica koje stvaraju bljesak plave svjetlosti – spomenuto Čerenkovljevo zračenje. Ovo elektromagnetno zračenje detektira niz optičkih svjetlosnih senzora, zvanih DOM (digitalni optički moduli), zamrznutih u ledu. Njih u IceCube ima 5160.

 

U čemu je značaj otkrića?

“Ovo dugo očekivano otkrivanje interakcija kozmičkih zraka u galaksiji također je prekrasan primjer onoga što se može postići kada se dosljedno primjenjuju moderne metode otkrivanja znanja u mašinskom učenju.” kaže Wolfgang Rhode, profesor fizike na Univerzitetu TU Dortmund, član IceCubea i Hünnefeldov savjetnik.

Snaga mašinskog učenja nudi veliki budući potencijal, približavajući druga zapažanja nadohvat ruke.

“Snažni dokaz da je Mliječni put izvor visokoenergetskih neutrina preživio je rigorozne testove”, kazao je Ignacio Taboada, profesor fizike na Georgia Institute of Technology i glasnogovornik IceCubea. “Sada je sljedeći korak identificirati specifične izvore unutar galaksije.”

Ova detekcija neutrina na najjužnijem detektoru na Zemlji će pružiti uvide ne samo u prirodu Mliječnog puta, nego i u svojstva neutrina samih.

Rezultat nam pomaže da bolje razumijemo svemir na više razina. Kao prvo, to je još jedan korak prema potpunijem poznavanju moćnih kozmičkih akceleratora, u kojem saznajemo više o njihovim veličinama i magnetskim poljima. Imamo teorije o kozmičkim akceleratorima, ali potrebni su nam eksperimentalni podaci da bismo doista razumjeli što se događa.

Osim toga, događaj pruža rijetku priliku za IceCube da razlikuje neutrine i antineutrine, što inače ne može učiniti, i stoga pročisti naše razumijevanje astrofizičkog toka neutrina.

O neutrinima i ovom radu je lijepo govorila dr Tijana Prodanović, na Tiktoku i Instagramu drcosmicray i to možete pogledati na linku ovdje.

Ona je za QoS/Nauka govori dodala:

“IceCube opservatorija uspešno detektuje neutrine najvećih energija već preko deceniju. Za razliku od neutrina koji nam dolaze iz središta Sunca, ovi neutrini mnogo većih energija nam govore o najsilovitijim procesima u svemiru.
I pored sve tehnologije i napretka, takve energije na Zemlji smo tek jedva dostigli u u akceleratorima kao sto je onaj u CERN-u, a svemir proizvodi čestice (koje zovemo kosmičko zračenje) daleko većih energija od onoga sto možemo na zemlji da postignemo. U tim procesima nastaju i ovi neutrini velikih energija i IceCube ih detektuje iz svih pravaca na nebu sto znači da većinom dolaze van naše galaksije, i često dolaze iz galaksija koje zovemo aktivne galaksije u čijim centrima se dešavaju neki siloviti procesi.

Međutim, znamo i da neki od tih procesa treba da se dešavaju i u našoj galaksiji, Mlečnom putu, te da neki od tih uhvaćenih neutrina treba da su i iz “našeg dvorišta”. Ali, teško je reći koji. To je zato što IceCube opservatorija gleda na dole, odnosno traži neutrine koji dolaze odozdo, jer ništa drugo ne može da dođe odozdo, samo neutrini imaju tu “super moć” da prolaze kroz sve pa i kroz celu Zemlju.

Središte Mlečnog puta se sa južne hemisfere gde se nalazi IceCube vidi iznad, na nebu, a iz tog pravca osim neutrina, IceCube detektor zapljuskuje i mnogo više drugih čestica, čiji nam signali ne trebaju. Zato je potraga za ovim energičnim neutrinima iz Mlečnog puta bukvalno potraga za iglom u plastu sena i naučnici su morali da koriste mašinsko učenje (veštačku inteligenciju) da analiziraju 10 godina podataka sakupljenih IceCube detektorom da bi našli baš te neutrine.
A sada kada su nađeni to će nam dalje pomoći da razumemo ove najsilovitije procese koji se dešavaju u svemiru jer sada vidimo da se dešavaju i u našoj galaksiji.”