Najbolj mrzli laboratorij na svetu

Mednarodna kolaboracija znanstvenikov in znanstvenic, zbrana v projektu IceCube, je objavila rezultate nove serije meritev nevtrinskih oscilacij. Meritve so rezultat treh let truda v polarnih razmerah v laboratoriju na Antarktiki in so prve, ki so v proces vključile nov sistem, imenovan DeepCore.

Nevtrini so osnovni delci s komaj zaznavno maso. Dobre mere pozornosti javnosti so bili deležni leta 2015, ko je Švedska kraljeva akademija znanosti za eksperimentalno potrditev nevtrinskih oscilacij podelila Nobelovo nagrado. V ogromnih detektorjih je nagrajencema in njunim sodelavcem ter sodelavkam uspelo dokazati, da nevtrini niso lastna stanja. Nasprotno - nevtrini oscilirajo med svojimi tremi inačicami in se kažejo enkrat kot ena, drugič kot druga izmed njih. Te so: elektronski, mionski in tau nevtrino.

Majhna masa nevtrinov pomeni, da zelo redko interagirajo s snovjo. Detekcija mora zato potekati posredno, prek neke goste snovi, vendar tako, da lahko prepoznamo sledi interakcije. Večina eksperimentov v nevtrinski fiziki je zato podobna ogromnim bazenom: znanstveniki in znanstvenice z vodo in fotopomnoževalkami napolnijo opuščena skladišča ali podzemne kaverne.

Ideja za eksperimentom je ta: kadar mimobežeči nevtrino utegne zaznati vso to vodo okoli sebe, se zave, da krši svetlobno hitrost v mediju. Zato nevtrino hitro zavre, pri tem pa odda blisk svetlobe, znan pod imenom sevanje Čerenkova. Fotopomnoževalke ta blisk zaznajo,  prek njega pa lahko rekonstruiramo pot in energijo nevtrina, ki je povzročil blisk.

Detektor IceCube na Antarktiki se od večine detektorjev razlikuje po tem, da namesto umetnega bazena uporablja kar naravno prisotne ogromne količine ledu. Skoraj tri kilometre debelo plast ledu so raziskovalci in raziskovalke prevrtali z 86-imi navpičnimi vrtaninami, v katerih se nahajajo senzorji.

Detektor IceCube zaznava mionske nevtrine, ki nastajajo med trkanjem kozmičnih žarkov v gornjo atmosfero. Nekateri izmed njih preoscilirajo v neko drugo stanje, v katerem ali niso zaznavni ali pa se že prej absorbirajo. Dlje, kot potujejo, verjetneje je, da se to zgodi. Iz deleža manjkajočih nevtrinov lahko glede na njihovo prepotovano pot in energijo sklepamo o parametrih, relevantnih za nevtrinske oscilacije. To sta tako imenovana mešalni kot in razlika nevtrinskih mas.

Novi podatki, pridobljeni z eksperimentom IceCube, so nastali s pomočjo nove naprave DeepCore, ki se nahaja globlje kot starejši deli sistema. Nevtrine je zmožna opazovati pri nižjih energijah, vse do 5,6 gigaelektronvoltov. Nove meritve vsebujejo tudi nove prilagoditve na šum in so tako najnatančnejše meritve na območju med 5,6 in 50 gigaelektronvolti do sedaj. Skupaj s podatki iz drugih nevtrinskih eksperimentov to pomeni preciznejšo določitev fundamentalnih lastnosti nevtrinov.

Na Antarktiko bi šel gledat nevtrine tudi vajenec Martin.

Članek je bil objavljen v reviji Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.071801).