IceCube видел резонансное явление Глэшоу, явление, предсказанное нобелевским лауреатом по физике Шелдоном Глэшоу в 1960 году. Этим обнаружением ученые предоставили еще одно подтверждение Стандартной модели физики элементарных частиц. Он также продемонстрировал способность IceCube, который обнаруживает почти безмассовые частицы, называемые нейтрино, с помощью тысяч датчиков, встроенных в антарктический лед, для выполнения фундаментальных задач физики.
Результат был опубликован 10 марта в Nature.
Шелдон Глэшоу впервые предложил этот резонанс в 1960 году, когда он работал докторантом в том, что сегодня является Институтом Нильса Бора в Копенгагене, Дания.
Там он написал статью, в которой предсказал, что антинейтрино – двойник нейтрино из антивещества – может взаимодействовать с электроном, создавая еще не открытую частицу посредством процесса, известного как резонанс. Ключ был в том, что у антинейтрино должна была быть точная энергия, чтобы вызвать этот резонанс.
Когда предложенная частица, бозон W-минус, была наконец открыта в 1983 году, она оказалась намного тяжелее, чем то, что Глэшоу и его коллеги ожидали еще в 1960 году.
Для резонанса Глэшоу потребуется нейтрино с энергией 6.3 петаэлектронвольта, что почти в 1000 раз более энергично, чем то, что способен производить Большой адронный коллайдер ЦЕРН. Ни один искусственный ускоритель элементарных частиц на Земле, текущий или планируемый, не может создать нейтрино с такой большой энергией.
Однако огромные энергии сверхмассивных черных дыр в центрах галактик и другие экстремальные космические явления могут генерировать частицы с энергиями, которые невозможно создать на Земле. Такое явление, вероятно, было ответственно за антинейтрино, достигшее IceCube в 2016 году и врезавшееся в Землю с энергией 6.3 ПэВ – в точности как предсказывала теория Глэшоу.
«Когда Глэшоу был постдоком в Нильсе Боре, он и представить себе не мог, что его нетрадиционное предложение по созданию бозона W-минус будет реализовано антинейтрино из далекой галактики, врезавшейся в антарктический лед», – говорит Фрэнсис Хальзен, главный исследователь IceCube. и профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон, штаб-квартиры службы обслуживания и эксплуатации IceCube.
С момента начала полной эксплуатации IceCube в мае 2011 года обсерватория обнаружила сотни высокоэнергетических астрофизических нейтрино и дала ряд значительных результатов в астрофизике элементарных частиц, включая открытие потока астрофизических нейтрино в 2013 году и первую идентификацию источника астрофизические нейтрино в 2018 году.
Событие резонанса Глэшоу примечательно из-за его чрезвычайно высокой энергии. Это только третье событие, обнаруженное IceCube с энергией более 5 ПэВ.
Этот результат стал совместным усилием группы из трех ученых: Лу Лу из Университета Чиба в Японии, ныне в UW-Madison, Тианлу Юань из UW-Madison и Кристиана Хаака из RWTH Aachen University, в настоящее время в Техническом университете Мюнхена.
Обнаружение резонанса Глэшоу – первое индивидуальное нейтрино, имеющее астрофизическое происхождение.
Он также демонстрирует уникальный вклад IceCube в многопользовательскую астрофизику, которая использует свет, частицы и гравитационные волны для изучения космоса. Результат также открывает новую главу в нейтринной астрономии, потому что он начинает отделять нейтрино от антинейтрино.
«Предыдущие измерения не были чувствительны к разнице между нейтрино и антинейтрино, поэтому этот результат является первым прямым измерением антинейтринной компоненты астрофизического потока нейтрино», – говорит Лу, один из основных анализаторов этой статьи.
«Есть ряд свойств источников астрофизических нейтрино, которые мы не можем измерить, например, физический размер ускорителя и напряженность магнитного поля в области ускорения», – говорит Юань, научный сотрудник Висконсинского центра астрофизики частиц IceCube и еще один главный анализатор. «Если мы сможем определить отношение нейтрино к антинейтрино, мы сможем непосредственно исследовать эти свойства."
Результат также демонстрирует ценность международного сотрудничества. IceCube обслуживают более 400 ученых, инженеров и сотрудников из 53 организаций в 12 странах, вместе известных как IceCube Collaboration. Основные анализаторы этого документа работали вместе в Азии, Северной Америке и Европе.
Чтобы подтвердить обнаружение и сделать решающее измерение отношения нейтрино к антинейтрино, коллаборация IceCube хочет увидеть больше резонансов Глэшоу. Предлагаемое расширение детектора IceCube, IceCube-Gen2, позволит ученым проводить такие измерения статистически значимым образом. Сотрудничество недавно объявило об обновлении детектора, которое будет реализовано в течение следующих нескольких лет, что является первым шагом на пути к IceCube-Gen2.
Глэшоу, ныне почетный профессор физики в Бостонском университете, разделяет потребность в большем количестве обнаружений его одноименных резонансных событий.
«Чтобы быть абсолютно уверенным, мы должны увидеть еще одно такое событие с той же энергией, что и то, что мы видели», – говорит он. "Пока есть один, и когда-нибудь их будет больше."
Работа частично поддержана Национальным научным фондом (гранты OPP-1600823 и PHY-191360).