Kosmische neutrino's voor het eerst gedetecteerd

Detector IceCube registreert 28 sporen van energieke "spookdeeltjes" uit de ruimte

Eén kubieke kilometer groot, 5.160 detectorballen en het hele ding onder de Zuidpool: Building IceCube. © IceCube / NSF
voorlezen

We worden constant gebombardeerd door neutrino's uit het verre universum - dat is wat de theorie al lang zegt. Maar nu is het bewijs van deze energieke, maar onzichtbare en bijna massaloze deeltjes geslaagd. De deeltjesdetector IceCube onder het Antarctische ijs heeft voor het eerst enkele sporen van deze "spookdeeltjes" geregistreerd. Dit zou een heel nieuw tijdperk van "neutrino-astronomie" kunnen beginnen, stelt de IceCube-samenwerking in het tijdschrift "Science".

{} 1l

Neutrino's zijn de meest voorkomende elementaire deeltjes en de meest mysterieuze. Elke seconde racen 100 triljoen van deze kleine deeltjes door onze lichamen met bijna de snelheid van het licht - zonder dat we er zelfs maar een klein beetje van voelen. Omdat deze elementaire deeltjes onzichtbaar zijn, bijna geen massa hebben en slechts zeer zelden wisselwerking hebben met andere materie. En dat is precies het probleem: om een ​​van deze zeldzame gebeurtenissen te bewijzen, zijn gigantische detectoren nodig.

5.160 detectorballen in het Antarctische ijs

De grootste van deze neutrino-observatoria is IceCube - een detector verdeeld over een kubieke kilometer Antarctisch ijs. 86 kabels, elk met 60 sferische sensoren, reiken diep onder het ijs van de Zuidpool. Elk van deze 5.160 optische modules van basketbalformaat is gekalibreerd om de kleine lichtflitsen te registreren die optreden wanneer een neutrino op een van de atomaire bouwstenen van het ijs botst.

Er is hier echter ook een probleem: Neutrino's stromen niet alleen vanuit de ruimte door de aarde, ze ontstaan ​​ook door energierijke deeltjesreacties in de atmosfeer. De onderzoekers moeten eerst deze zwakkere neutrino-handtekeningen uitfilteren om te vinden wat ze zoeken: het spoor van de spookdeeltjes die reizen met de kosmische stralen. tonen

"Ernie" en "Bert" maakten het begin

In april 2012 kwam een ​​eerste doorbraak: twee gebeurtenissen in de detector lieten een ongewoon energierijk spoor achter. De waarden lagen op een geweldige 1.000 Teraelektronvolt (TeV) - en dus verschillende ordes van grootte boven wat atmosferische neutrino's kunnen produceren. Het moesten kosmische neutrino's zijn, vermoedde ze.

"Na honderdduizenden atmosferische neutrino's te hebben bekeken, hebben we eindelijk iets anders gevonden - daar hebben we op gewacht", zegt IceCube-projectmanager Francis Halzen van de Universiteit van Wisconsin-Madison. De IceCube-onderzoekers doopten liefdevol de twee neutrino-handtekeningen Ernie "en Bert". Maar de twee alleen waren niet genoeg om eindelijk de geheime kosmische neutrino's te bewijzen.

In de tussentijd is dit echter veranderd. Omdat de onderzoekers 26 andere high-energy evenementen hebben ontdekt - zij het met iets meer dan 30 TeV niet zo fel als "Ernie" en "Bert". De meerderheid van deze handtekeningen produceerde een koelachtig patroon in de detector, maar een paar, maar weinig, deeltjesreacties die tot relatief smalle sporen leidden. Alle 28 neutrino-handtekeningen samen verschillen zo significant van de atmosferische variant dat de onderzoekers nu zeker zijn: "Dit is de eerste indicatie van zeer energierijke neutrino's die van buiten ons zonnestelsel komen, " meldt Halzen.

Schematische weergave van enkele detectorballen in ijs Jamie Yang / IceCube Collaboration

Waar komen de spookdeeltjes vandaan?

Op basis van de sporen in de detector probeerden de wetenschappers vervolgens te achterhalen waar de kosmische deeltjes in de ruimte vandaan waren gekomen. Want het is duidelijk dat de neutrino's, vergelijkbaar met de rest van de kosmische straling, worden gegenereerd in extreem hoge energetische gebeurtenissen - in een soort kosmische deeltjesversneller. Verschillende kandidaten komen echter in twijfel: gammastraaluitbarstingen, supernova's, maar ook de massieve deeltjesstralen die de superzware zwarte gaten in het hart van actieve sterrenstelsels uitzenden.

Om dit veld te verkleinen, probeerden de onderzoekers het traject van hun 28 neutrinosignalen te volgen. Als ze in een bepaalde regio van het universum komen, kan dit helpen om ze toe te wijzen aan een van de potentiële bronnen. Helaas is dit niet gelukt. De analyse onthulde een nogal willekeurige ruimtelijke en temporele verdeling van gebeurtenissen, zoals de onderzoekers melden. Met slechts 28 signalen is het nummer gewoon te klein om oproepen te identificeren.

"We werken nu hard om de betekenis van onze observatie te vergroten", legt IceCube-woordvoerster Olga Botner van de universiteit van Uppsala uit. Met toenemende detectiecijfers hopen de wetenschappers individuele bronnen van energierijke neutrino's in de kosmos te kunnen identificeren. (Wetenschap, 2013; doi: 10.1126 / science.1242856)

(Science / IceCube Collarboation, 22.11.2013 - NPO)