I neutrini sono abbondanti particelle subatomiche famose per passare attraverso qualsiasi cosa, solo molto raramente interagisce con la materia. Circa 100 trilioni di neutrini passano attraverso il tuo corpo ogni secondo. Ora, gli scienziati hanno dimostrato che la Terra ferma i neutrini energetici:non attraversano tutto. Queste interazioni di neutrini ad alta energia sono state osservate dal rivelatore IceCube, una serie di 5, 160 sensori ottici delle dimensioni di un basket profondamente racchiusi in un chilometro cubo di ghiaccio antartico molto chiaro vicino al Polo Sud.

I sensori di IceCube non osservano direttamente i neutrini, ma invece misurare lampi di luce blu, nota come radiazione di Cherenkov, emessi da muoni e altre particelle cariche in rapido movimento, che si creano quando i neutrini interagiscono con il ghiaccio, e dalle particelle cariche prodotte quando i muoni interagiscono mentre si muovono attraverso il ghiaccio. Misurando i modelli di luce da queste interazioni all'interno o in prossimità dell'array di rivelatori, IceCube può stimare le direzioni e le energie dei neutrini.

Lo studio, pubblicato nel numero del 22 novembre della rivista Natura , è stato guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley del Dipartimento dell'energia.

Spencer Klein, che guida il team di ricerca IceCube di Berkeley Lab, ha commentato "Questa analisi è importante perché mostra che IceCube può dare un contributo reale alla fisica delle particelle e nucleare, ad energie al di sopra della portata degli attuali acceleratori."

Sandra Miarecki, che ha eseguito gran parte dell'analisi dei dati mentre lavorava per il suo dottorato di ricerca come ricercatrice IceCube presso Berkeley Lab e UC Berkeley, disse, "È un'idea multidisciplinare". L'analisi ha richiesto il contributo di geologi che hanno creato modelli dell'interno della Terra da studi sismici. I fisici hanno usato questi modelli per aiutare a prevedere come i neutrini vengono assorbiti dalla Terra.

"Si creano muoni 'finti' che simulano la risposta dei sensori, "Miarecki ha detto. "Devi simulare il loro comportamento, ci deve essere un modello del ghiaccio per simulare il comportamento del ghiaccio, devi anche avere simulazioni di raggi cosmici, e devi simulare la Terra usando le equazioni. Allora devi prevedere, in termini di probabilità, quante volte un particolare muone sarebbe passato attraverso la Terra."

I risultati dello studio si basano su un anno di dati di circa 10, 800 interazioni legate ai neutrini, derivanti da una fornitura naturale di neutrini molto energetici dallo spazio che attraversano un assorbitore denso e denso:la Terra. L'energia dei neutrini è stata fondamentale per lo studio, poiché i neutrini a più alta energia hanno maggiori probabilità di interagire con la materia e di essere assorbiti dalla Terra.

Gli scienziati hanno scoperto che c'erano meno neutrini energetici che attraversavano la Terra fino al rivelatore IceCube rispetto a percorsi meno ostruiti, come quelli che arrivano da traiettorie quasi orizzontali. La probabilità che i neutrini vengano assorbiti dalla Terra era coerente con le aspettative del Modello Standard della fisica delle particelle, che gli scienziati usano per spiegare le forze e le particelle fondamentali nell'universo. Questa probabilità - che i neutrini di una data energia interagiscano con la materia - è ciò che i fisici chiamano "sezione d'urto".

"Capire come interagiscono i neutrini è la chiave per il funzionamento di IceCube, " ha spiegato Francis Halzen, ricercatore principale per l'Osservatorio IceCube Neutrino e professore di fisica dell'Università del Wisconsin-Madison. Misure di precisione presso l'acceleratore HERA di Amburgo, Germania, ci permettono di calcolare la sezione d'urto del neutrino con grande accuratezza all'interno del Modello Standard, che si applicherebbe ai neutrini IceCube di energie molto più elevate se il Modello Standard fosse valido a queste energie. "Naturalmente speravamo che apparisse una nuova fisica, ma purtroppo troviamo che il Modello Standard, come di solito, resiste alla prova, "aggiunge Halzen.

James Whitmore, direttore del programma nella divisione di fisica della National Science Foundation, disse, "IceCube è stato costruito per esplorare le frontiere della fisica e, così facendo, possibilmente sfidare le percezioni esistenti della natura dell'universo. Questa nuova scoperta e altre ancora a venire sono in quello spirito di scoperta scientifica".

Questo studio fornisce le prime misurazioni della sezione trasversale per un intervallo di energia del neutrino che è fino a 1, 000 volte superiore alle precedenti misurazioni con acceleratori di particelle. La maggior parte dei neutrini selezionati per questo studio erano più di un milione di volte più energetici dei neutrini prodotti da fonti più familiari, come il sole o le centrali nucleari. I ricercatori si sono preoccupati di garantire che le misurazioni non fossero distorte da problemi del rivelatore o da altre incertezze.

"I neutrini hanno la meritata reputazione di sorprenderci con il loro comportamento, " ha detto Darren Grant, portavoce della collaborazione IceCube e professore di fisica all'Università di Alberta in Canada. "È incredibilmente eccitante vedere questa prima misurazione e il potenziale che racchiude per i futuri test di precisione".

Oltre a fornire la prima misura dell'assorbimento terrestre dei neutrini, l'analisi mostra che la portata scientifica di IceCube si sta estendendo oltre il suo focus principale sulle scoperte della fisica delle particelle e il campo emergente dell'astronomia dei neutrini nei campi della scienza planetaria e della fisica nucleare. Questa analisi interesserà anche i geofisici che vorrebbero utilizzare i neutrini per l'immagine dell'interno della Terra, sebbene ciò richiederà più dati di quelli utilizzati nello studio attuale.

Per questo studio, la collaborazione IceCube, che comprende più di 300 membri di 48 istituzioni in 12 paesi, ha ampliato la sua partnership di ricerca per includere i geologi in un team multidisciplinare ancora più ampio.

Una comprensione più profonda di quanto spesso un neutrino attraverserà la Terra per interagire eventualmente all'interno del rivelatore IceCube richiede anche una conoscenza dettagliata delle proprietà del ghiaccio antartico, l'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre, e come i neutrini interagiscono con la materia.

I neutrini utilizzati in questa analisi sono stati per lo più prodotti quando idrogeno o nuclei più pesanti provenienti da raggi cosmici ad alta energia, creato al di fuori del sistema solare, interagito con nuclei di azoto o ossigeno nell'atmosfera terrestre. Questo crea una cascata di particelle, compresi diversi tipi di particelle subatomiche che decadono, producendo neutrini. Queste particelle piovono sulla superficie terrestre da tutte le direzioni.

L'analisi ha incluso anche un piccolo numero di neutrini astrofisici, che sono prodotti al di fuori dell'atmosfera terrestre, da acceleratori cosmici fino ad oggi sconosciuti, forse associato a buchi neri supermassicci.

Gli eventi di interazione del neutrino selezionati per lo studio hanno energie di almeno un trilione di elettronvolt, o un teraelettronvolt (TeV), all'incirca l'energia cinetica di una zanzara volante. A questa energia, l'assorbimento di neutrini da parte della Terra è relativamente piccolo, e i neutrini a più bassa energia nello studio sono serviti in gran parte come linea di base priva di assorbimento. L'analisi era sensibile all'assorbimento nell'intervallo di energia da 6,3 TeV a 980 TeV, limitato all'estremità ad alta energia da una carenza di neutrini sufficientemente energetici.

A queste energie, ogni singolo protone o neutrone in un nucleo agisce indipendentemente, quindi l'assorbimento dipende dal numero di protoni o neutroni che ogni neutrino incontra. Il nucleo terrestre è particolarmente denso, quindi l'assorbimento è maggiore lì. A confronto, i neutrini più energetici che sono stati studiati negli acceleratori di particelle costruiti dall'uomo erano a energie inferiori a 0,4 TeV. I ricercatori hanno usato questi acceleratori per puntare fasci contenenti un numero enorme di questi neutrini a bassa energia verso rivelatori massicci, ma solo una piccolissima frazione produce interazioni.

I ricercatori di IceCube hanno utilizzato i dati raccolti da maggio 2010 a maggio 2011, da un array parziale di 79 "stringhe, " ciascuno contenente 60 sensori incorporati a più di un miglio di profondità nel ghiaccio.

Gary Binder, uno studente laureato della UC Berkeley affiliato alla divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab, ha sviluppato il software utilizzato per adattare i dati di IceCube a un modello che descrive come i neutrini si propagano attraverso la Terra.

Da questa, il software ha determinato la sezione trasversale che meglio si adattava ai dati. Università del Wisconsin - Lo studente di Madison, Chris Weaver, ha sviluppato il codice per la selezione degli eventi di rilevamento utilizzato da Miarecki.

Le simulazioni a supporto dell'analisi sono state condotte utilizzando supercomputer presso l'Università del Wisconsin-Madison e presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab.

I fisici ora sperano di ripetere lo studio utilizzando un esteso, analisi pluriennale dei dati dall'intero array IceCube a 86 stringhe, che è stato completato nel dicembre 2010, e di guardare a gamme più elevate di energie di neutrini per qualsiasi accenno di nuova fisica oltre il Modello Standard. IceCube ha già rilevato più neutrini ad altissima energia, nell'intervallo dei petaelettronvolt (PeV), che hanno un 1, Energia 000 volte superiore a quella rilevata nell'intervallo TeV.

Klein ha detto, "Una volta che possiamo ridurre le incertezze e possiamo guardare a energie leggermente più alte, possiamo guardare cose come gli effetti nucleari sulla Terra, ed effetti elettromagnetici collettivi."

Legante aggiunto, "Possiamo anche studiare quanta energia un neutrino trasferisce a un nucleo quando interagisce, dandoci un'altra prova della struttura nucleare e della fisica oltre il Modello Standard".

Più dati ridurranno le incertezze e forniranno neutrini a energie ancora più elevate, aprendo nuove opportunità per sondare la fisica dei neutrini oltre il Modello Standard. Consentirà inoltre agli scienziati di esplorare il confine tra il nucleo solido interno della Terra e il suo nucleo esterno liquido.

Un obiettivo a lungo termine è costruire un rivelatore più grande, che consentirebbe agli scienziati di studiare i neutrini di energie ancora più elevate. L'IceCube-Gen2 proposto sarebbe 10 volte più grande di IceCube. Le sue dimensioni maggiori permetterebbero al rivelatore di raccogliere più dati dai neutrini a energie molto elevate.

Alcuni scienziati stanno cercando di costruire un rivelatore ancora più grande, 100 chilometri cubi o più, utilizzando un nuovo approccio che ricerca gli impulsi delle onde radio prodotte quando i neutrini ad altissima energia interagiscono nel ghiaccio. Le misurazioni dell'assorbimento dei neutrini da parte di un rivelatore a base radio potrebbero essere utilizzate per cercare nuovi fenomeni che vadano ben oltre la fisica spiegata nel Modello standard e potrebbero esaminare la struttura dei nuclei atomici in modo più dettagliato rispetto a quelli di altri esperimenti.

Miarecki ha detto, "Questo è piuttosto eccitante:non avrei potuto pensare a un progetto più interessante".