Кіріспе

Оңтүстік полюстегі нейтрино детекторы IceCube Neutrino Observatory (немесе жай ғана IceCube) – Антарктидадағы Амундсен-Скотт Оңтүстік полюс станциясында салынған нейтрино обсерваториясы. Бұл жоба CERN-нің танылған эксперименті (RE10). Оның мыңдаған сенсорлары Антарктика мұзының астында, бір куб километрге таралып орналасқан. IceCube алдыңғы нұсқасы – Антарктика муондары мен нейтриноларын анықтау массиві (AMANDA) сияқты, әрқайсысы фотокөбейтуші түтікше (PMT) және массивтің үстіндегі бетке сандық деректерді жіберетін бір тақталы деректерді жинау компьютері бар цифрлық оптикалық модульдерден (DOM) тұрады. IceCube 2010 жылдың 18 желтоқсанында аяқталды. DOM-дар 60 модульден тұратын тізбектермен 1450 мен 2450 метр аралығындағы тереңдікке, ыстық сумен мұзды тесіп жасалған ұңғымаларға орналастырылады. IceCube ең жоғары энергиялы астрофизикалық процестерді зерттеу үшін тераэлектронвольт (TeV) диапазонындағы нейтриноның нүктелік көздерін табуға арналған.

Эксперименттік механизм

Нейтринолар электрлік бейтарап лептондар болып табылады және әлсіз күш арқылы материямен өте сирек өзара әрекеттеседі. Олар зарядталған ток әрекеттесуі арқылы мұздағы су молекулаларымен әрекеттескенде, нейтриноның дәміне сәйкес келетін зарядталған лептондарды (электрондар, мюондар немесе тау-лептондар) жасайды. Егер зарядталған лептондар жеткілікті энергиялы болса, олар Черенков сәулесін шығарады. Бұл зарядталған бөлшек мұз ішінде жарық жылдамдығынан жылдам қозғалғанда болады, бұл қайық толқындардан жылдам қозғалғандағы соққыға ұқсас. Бұл жарық IceCube құрамына кіретін цифрлық оптикалық модульдердегі фотокөбейтуші түтіктер арқылы анықталады. Үш зарядталған лептондардың детекторлық белгілері ерекше, сондықтан зарядталған ток арқылы туған оқиғалардың нейтрино дәмін анықтау мүмкін. Егер нейтрино нейтральді ток арқылы мұздан шашырап кетсе, соңғы күйде нейтрино дәмі туралы ақпарат болмайды, себебі зарядталған лептон пайда болмайды. ПМТ-дан алынған сигналдар цифрландырылып, кабель арқылы мұздықтың бетіне жіберіледі. Бұл сигналдар жер бетіндегі санау үйінде жиналады, ал олардың бір бөлігі талдау үшін спутник арқылы солтүстікке жіберіледі. 2014 жылдан бері деректердің қалдығы таспа емес, қатты дискілерде сақталады және жыл сайын кемемен солтүстікке жіберіледі. Деректер тәжірибешілерге жеткен соң, олар кіретін нейтриноның кинематикалық параметрлерін қайта жасай алады. Жоғары энергиялы нейтринолар детекторда үлкен сигнал тудырып, олардың бастапқы нүктесіне сілтеме жасайды. Мұндай нейтрино бағыттарының шоғырлары нейтриноның нүктелік көздерін көрсетеді. Жоғарыда аталған әр қадам үшін белгілі бір ең төменгі энергия қажет, сондықтан IceCube көбінесе 10⁷-10²¹ эВ аралығындағы жоғары энергиялы нейтриноларға сезімтал. IceCube басқа зарядталған лептондарға қарағанда мюондарға сезімтал, себебі олар ең терең еніп, детектордағы ең ұзын іздерді қалдырады. Сондықтан, нейтрино дәмі ішінде IceCube мюон нейтриноларына ең сезімтал. Электрондық нейтринодан туған электрон әдетте Черенков шегінен төмен түсетін энергияны жоғалтқанша бірнеше рет шашырайды; бұл электрондық нейтрино оқиғаларын көздерге сілтеме жасау үшін қолдану мүмкін емес екенін білдіреді, бірақ олар детекторда толығымен қамтылуы мүмкін, сондықтан энергияны зерттеу үшін пайдалы болуы мүмкін. Бұл оқиғалар "жолға" қарағанда көбірек сфералық немесе "каскадтық" сияқты; мюон нейтрино оқиғалары көбірек "жолға" ұқсас. Тау-лептондар да каскадтық оқиғаларды тудыра алады; бірақ олардың өмір сүру мерзімі қысқа және ыдыраудан бұрын ұзаққа саяхаттамайды, сондықтан оларды электрондық каскадтардан ажырату қиын. Тау-лептонды электрондан "қос жарқыл" оқиғасы арқылы ажыратуға болады, онда тау-лептонның пайда болуы мен ыдырауы кезінде каскад көрінеді. Бұл тек өте жоғары энергиялы тау-лептондар үшін ғана мүмкін. Гипотетикалық тұрғыдан алғанда, тау-лептонның іздерін анықтау үшін, тау-лептон ыдыраудан бұрын кем дегенде бір DOM-нан көршілес DOM-ға (17 м) саяхаттауы керек. Тау-лептонның орташа өмір сүру мерзімі 2,9 секунд болғандықтан, жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен қозғалған тау-лептон әр метр үшін 20 ТэВ энергияны қажет етеді. Нақты жағдайда, тәжірибешіге екі каскадты ажырату үшін екі DOM арасындағы кеңістік қажет, сондықтан "қос жарқыл" іздеулері PeV энергия деңгейлеріне бағытталған. Мұндай іздеулер жүргізілуде, бірақ әлі күнге дейін "қос жарқыл" оқиғасын фондық оқиғалардан ажырату мүмкін болған жоқ. Төмен энергиялы тау-нейтриноларын анықтаудың тағы бір жолы - "қос импульс" белгісі арқылы, онда бір DOM нейтриноның өзара әрекеттесуіне және тау-лептонның ыдырауына сәйкес келетін екі түрлі жарық келу уақытын анықтайды. Тау-нейтрино сигналын ажырату үшін конволюциялық нейрондық желілер сияқты машиналық оқыту (ML) әдістерін де қолдануға болады. 2024 жылы IceCube ынтымақтастығы осындай техниканы қолдана отырып, жеті астрофизикалық тау-нейтрино кандидатын анықтады. Астрофизикалық көздерден келмейтін, атмосфераға түсетін ғарыш сәулелерінен туған мюондардың үлкен фоны бар. IceCube-те байқалған нейтринодан туған мюондарға қарағанда ғарыш сәулелерінен туған мюондар шамамен 10⁶ есе көп. IceCube көптеген нейтриноларды анықтамайды деп күтілсе де (дәстүрлі телескоптар анықтайтын фотондар санына қарағанда), ол анықтаған нейтринолардың жоғары ажыратымдылығына ие болуы керек. Бірнеше жыл бойы жұмыс істегеннен кейін, ол солтүстік жарты шардың ағын картасын жасауы мүмкін, бұл карта ғарыштық микротолқынды фон немесе гамма-сәуле телескоптары сияқты болады, олар IceCube сияқты бөлшектер терминологиясын қолданады. Сол сияқты, KM3NeT оңтүстік жарты шар үшін картаны толықтыруы мүмкін. IceCube ғалымдары 2006 жылдың 29 қаңтарында алғашқы нейтриноларын анықтаған болуы мүмкін.

Гамма-сәулелік жарылыстар нейтриномен сәйкес келеді

Протондар бір-бірімен немесе фотондармен соқтығысқанда, көбінесе пиондар пайда болады. Зарядталған пиондар мюондар мен мюон нейтриноларына, ал бейтарап пиондар гамма-сәулелеріне ыдырайды. Нейтрино ағыны мен гамма-сәуле ағыны гамма-сәулелік жарылыстар мен супернова қалдықтары сияқты кейбір көздерде беттесуі мүмкін, бұл олардың тегінің құпиялылығын көрсетеді. Осы мақсатта IceCube деректері Swift немесе Fermi сияқты гамма-сәулелік спутниктермен бірге қолданылады. IceCube гамма-сәулелік жарылыстармен бірдей уақытта нейтриноны байқамады, бірақ бұл іздестіруді нейтрино ағынын қазіргі модельдер болжағаннан кем мәндерге дейін шектеу үшін пайдалана алады.

Қара материяның жанама іздеулері

Әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер (WIMP) қара материясы Күн сияқты массивті объектілермен гравитациялық түрде тартылып, Күннің ядросында жиналуы мүмкін. Бұл бөлшектердің жеткілікті тығыздығы болса, олар бір-бірімен айтарлық деңгейде жойылады. Бұл жойылғаннан пайда болатын өнімдер нейтриноларға ыдырайды, оларды IceCube Күннен келетін нейтринолардың артық мөлшері ретінде анықтауы мүмкін. WIMP жойылғаннан пайда болатын өнімдерді іздеудің бұл әдісі, қара материяның құралдармен жабдықталған белгілі бір көлемдегі өзара әрекеттерін іздейтін тікелей іздеулерден өзгеше, жанама іздеу деп аталады. Күндегі WIMP іздеулері, Күннің құрамы тікелей іздеу детекторларына (мысалы, ксенон немесе германий) қарағанда жеңіл элементтерден тұрғандықтан, көптеген тікелей іздеулерге қарағанда спинге тәуелді WIMP модельдеріне сезімтал. IceCube толық детектордың шамамен 1/4 бөлігін құрайтын 22 сымды детектор арқылы AMANDA-ның шектеулерінен артық шектеулер қойды.

Нейтрино тербелісі

IceCube атмосфералық ғарыш сәулелерінің дуынан, Жердің диаметрімен салыстырылатын қашықтықта нейтрино тербелістерін байқай алады. Ол шамамен ~25 ГэВ энергиясында ең жоғары сезімтал, ал DeepCore кіші массиві осы энергия диапазоны үшін оңтайландырылған. DeepCore 2009–2010 жылғы Оңтүстік жазда орналастырылған, көлденең және тік аралықтары тығыз 6 тізбектен тұрады. 2014 жылы DeepCore деректері θ23 араласу бұрышын және Δm223 масса айырмасын анықтау үшін қолданылды. Бұл өлшемдер одан бері көбірек деректермен, детекторларды жақсартылған калибрлеу және деректерді өңдеу арқылы жақсартылды. Көбірек дерек жиналғанда және IceCube өлшемдері одан әрі жетілдірілгенде, нейтрино массасының иерархиясын анықтайтын ~15 ГэВ энергиясында тербеліс үлгісінің ерекше өзгерісін байқау мүмкін болады. Бұл массалық иерархияны анықтау механизмі тек θ13 араласу бұрышының үлкен мәнінде ғана жұмыс істейді.

Галактикалық суперновалар

Суперновалардан күтілетін жеке нейтринолардың энергиясы IceCube энергиясының шекті деңгейінен төмен болғанына қарамастан, IceCube жергілікті супернованы анықтай алады. Ол детектордың барлық бөлігінде байқалатын, қысқа мерзімді, өзара байланысты шу деңгейінің күрт өсуі ретінде көрінеді. Супернова, 1/r² қашықтыққа тәуелділік күшіне енгенге дейін жеткілікті мөлшерде нейтриноны тіркеу үшін, салыстырмалы түрде жақын (біздің галактикамыз ішінде) болуы керек. IceCube – Супернованың ерте ескерту жүйесінің (SNEWS) құрамында.

Стерильді нейтринолар

Стерильді нейтринолардың белгісі 1 ТэВ шамасындағы атмосфералық нейтринолардың энергия спектрінің өзгеруі болар еді, оны іздеуге IceCube ерекше мүмкіндікке ие. Бұл белгі атмосфералық нейтринолар Жер материясымен өзара әрекеттескен кезде туындайды. Сипатталған анықтау стратегиясы, сондай-ақ оның Оңтүстік полюсіндегі орналасуы, детекторға жіп теориясында болжанған қосымша өлшемдердің алғашқы сенімді экспериментальдық дәлелін ұсынуға мүмкіндік береді. Бөлшек физикасының Стандартты моделінің көптеген кеңейтімдері, оның ішінде жіп теориясы, стерильді нейтриноны ұсынады; жіп теориясында ол жабық жіптен жасалады. Бұл нейтринолар қайта оралмас бұрын қосымша өлшемдерге өтіп, жарық жылдамдығынан асып түсетіндей көрінуі мүмкін. Мұны тексеру үшін жақын арада эксперимент жүргізу мүмкін. Сонымен қатар, егер жоғары энергиялы нейтринолар микроскопиялық қара тесіктерді (жіп теориясының кейбір аспектілері болжағандай) құрса, бұл бөлшектердің душын тудырады, нәтижесінде "төменге" бағытталған нейтринолардың саны артып, "жоғарыға" бағытталған нейтринолардың саны азаяды. 2016 жылы IceCube детекторының ғалымдары стерильді нейтриноның қандай да бір белгісін таба алмады.

Нәтижелер

IceCube ынтымақтастығы нүктелік көздерден нейтринолар, гамма-сәулелердің жарылыстары және Күндегі нейтралинолардың жойылғандығы үшін ағын шектерін жариялады, бұл WIMP-протон қимасына әсер етеді. Айдың көлеңкелік әсері байқалды. Ай космостық сәулелер протондарын тоқтатып, Ай бағытында космостық сәулелердің мюондарының жетіспеушілігін тудырады. Космостық сәулелер мюондарында шағын (1%-дан кем), бірақ берік анизотропия байқалды. 2013 жылдың қарашасында IceCube Күн жүйесінің сыртында пайда болған 28 нейтриноны анықтағанын хабарлады, олардың ішінде петаэлектронвольт диапазонындағы жоғары энергиялы нейтринолар жұбы болды. Бұл жұп "Берт" және "Эрни" деп аталды, бұл "Сезам көшесі" телешоуындағы кейіпкерлердің құрметіне берілген аттар. Кейін 2013 жылы анықталғандардың саны 37-ге дейін өсті, оның ішінде 2000 ТэВ-тағы жаңа жоғары энергиялы нейтрино "Үлкен құс" деп аталды. IceCube 2014 жылы 10–100 ГэВ атмосфералық мюон нейтриносының жоғалуын өлшеді, бұл 2011 жылдың мамырынан 2014 жылдың сәуіріне дейінгі үш жылдық деректерді, соның ішінде DeepCore деректерін пайдаланды. Бұл нейтрино детекторының ғарыштағы нысанды анықтау үшін алғаш рет қолданылуы және космостық сәулелердің көзі анықталғанын көрсетті. 2020 жылы 2.3σ дәлдігімен Глашшоу резонансының (антинейтрино-электрондық соқтығысулар кезінде W бозонының пайда болуы) куәлігі жарияланды. 2021 жылдың ақпанында, толассыз бұзылу оқиғасы (TDE) AT2019dsg нейтрино көзіне үміткер деп, ал 2022 жылдың маусымында TDE AT2019fdr екінші үміткер деп хабарланды. 2022 жылдың қарашасында IceCube Мессье 77 активті галактикалық ядросынан шығарылатын нейтрино көзінің мықты куәлігін жариялады. Бұл IceCube-тың TXS 0506+056-дан кейінгі екінші анықтамасы және SN1987A және күн нейтриноларын қоса алғанда, белгілі төртінші көзі. ОКС 1424+240 және GB9 басқа да ықтимал үміткерлер болып табылады. 2023 жылдың маусымында IceCube Галактикалық жазықтықтан таралатын нейтриноның 4.5σ маңыздылық деңгейіндегі диффузиялық эмиссиясын галактикалық карта ретінде анықтады.