Як обсерваторія IceCube шукає нейтрино під льодом Антарктиди

Обсерваторія IceCube на географічному Південному полюсі в Антарктиді шукає високоенергетичні нейтрино з глибин космосу за допомогою 5160 оптичних сенсорів, розміщених у кубічному кілометрі льоду. Дослідник Хуан Карлос Діас Велес, який працює у Центрі астрофізики частинок IceCube Університету Вісконсин—Медісон, пояснив принцип роботи установки після повідомлення про присудження Нобелівської премії з фізики його керівникові Френсісу Галзену.

Про роботу детектора та дослідження нейтрино розповідає Wired. За словами Діаса Велеса, нейтрино не мають електричного заряду, слабо взаємодіють із речовиною та можуть проходити крізь Землю, не зіткнувшись із жодним атомом. Щосекунди через ніготь великого пальця проходить близько мільярда сонячних нейтрино, однак команда IceCube зосереджується на частинках дуже високої енергії, що прибувають із космосу.

Світло від рідкісних взаємодій

На глибині приблизно 1,5 кілометра антарктичний лід є достатньо прозорим, щоб сенсори могли фіксувати світло від мюонів. Ці субатомні частинки виникають унаслідок рідкісних зіткнень нейтрино з атомами льоду. Діас Велес порівняв пошук таких сигналів із пошуком голки в копиці сіна: на кожне зареєстроване IceCube нейтрино припадає понад мільйон мюонів, породжених космічними променями.

Нейтрино високих енергій можуть походити із залишків наднових або чорних дір. За поясненням науковця, заряджені частинки, зокрема протони, прискорюються в потужних магнітних полях таких об’єктів, а під час зіткнень із міжзоряним газом і плазмою утворюють гамма-промені та нейтрино. Найенергетичніші джерела нейтрино, які вдалося виявити, пов’язані з активними ядрами галактик, що містять надмасивні чорні діри.

Дані з Антарктиди обробляє міжнародна команда

IceCube почала роботу у 2011 році. Одним із її перших великих результатів стало виявлення нейтрино астрофізичного походження за межами Сонячної системи. Серед помітних джерел — блазар TXS 0506+056, надзвичайно яскрава галактика, пов’язана з надмасивною чорною дірою. Надалі дослідники підтвердили, що цей клас об’єктів здатний породжувати високоенергетичні нейтрино, а також спостерігали Чумацький Шлях як дифузне джерело таких частинок.

Команда також проводить точніші вимірювання перетворення нейтрино між трьома відомими типами та досліджує космічні промені. За словами Діаса Велеса, система кожні дві мілісекунди визначає напрямок надходження, енергію і тип зареєстрованої частинки. Для оброблення експериментальних даних і моделювання використовують розподілені обчислювальні мережі загальною потужністю приблизно 10 тисяч процесорних ядер і 1 тисяча графічних процесорів. У співпраці IceCube беруть участь 450 людей із 58 установ у 14 країнах.