Hoe een enkele neutrino net heeft geholpen bij het ontrafelen van een 100 jaar oud mysterie van kosmische straling

Een enorm ijsblokje op de Zuidpool onthult mysteries over het universum.

In de afbeelding van een kunstenaar die heel, heel niet op schaal is, wordt een blazar getoond die een bundel kosmische straling naar de aarde schiet.

IceCube/NASA

De Zuidpool is een onherbergzame plek om aan wetenschap te doen. Temperaturen kunnen dalen tot onder de min 99 graden Fahrenheit. De lucht is ijl en vochtarm.

Toch stromen natuurkundigen naar een observatorium daar omdat het een van de beste plaatsen is om een ​​mysterie te beantwoorden dat al meer dan een eeuw door hun vakgebied spookt: wat schiet er in het universum ongelooflijk krachtige stralen subatomaire deeltjes naar de aarde?

Wetenschappers ontdekten in 1912 dat subatomaire deeltjes - de bouwstenen van materie, zoals protonen, elektronen, muonen , neutrino's en quarks - raken de aarde elke dag. Later kwamen ze erachter dat ze ons raakten met een energie die de kracht van door mensen gemaakte deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider, overtreft. Sommige van deze deeltjes dragen zoveel energie dat wetenschappers zich afvroegen welke objecten in de ruimte krachtig genoeg zijn om ze te creëren.

Nu hebben we een belangrijke aanwijzing over ten minste één object dat verantwoordelijk kan zijn voor sommige van deze deeltjes, vaak kosmische straling genoemd, die de aarde raken. In twee nieuwe studies verschijnen donderdag in Wetenschap, een groot team van natuurkundigen meldt dat een van de bronnen van kosmische straling een speciaal type melkwegstelsel is dat een blazar wordt genoemd. Blazars hebben superzware zwarte gaten in het midden die materie uit elkaar scheuren in zijn samenstellende delen, en dan schiet subatomaire deeltjes als een laserkanon de ruimte in.

Het hele mysterie van de bron van kosmische straling is niet opgelost. Wetenschappers weten niet of er andere objecten zijn die de stralen kunnen produceren, en de huidige resultaten kunnen de krachtigste kosmische straling die ooit is gedetecteerd, nog niet verklaren. Ze zijn er ook niet helemaal zeker van dat de blazar de bron is. (Natuurkundigen gebruiken het woord zeker niet lichtvaardig.)

wat is een asmr-video?

Maar het is een intrigerend begin. Kosmische straling werd voor het eerst ontdekt in 1912. En we krijgen nu pas een grote doorbraak om te begrijpen hoe ze hier komen.

(De National Science Foundation streamt live hun persconferentie waarin ze de bevindingen aankondigen. Je kunt dat hier bekijken.)

Hoe een gigantisch ijsblokje op de Zuidpool tot deze ontdekking leidde

Het IceCube Neutrino Observatorium onder de sterren.

NSF

Er zijn enkele bronnen van kosmische straling die we wel kennen, zoals de zon, die constant stukjes materie in alle richtingen uitspuugt. Sommige kosmische straling kan zelfs worden geproduceerd door atomaire botsingen aan de bovenkant van onze atmosfeer.

Maar dan zijn er de kosmische stralen die op ons worden geschoten op energieniveaus die wetenschappers echt met stomheid geslagen laten. Dat is het 100 jaar oude mysterie.

De beste vergelijking die we hebben om de energie van deze stralen uit te leggen is de Large Hadron Collider nabij Genève, Zwitserland. De LHC is de krachtigste, meest geavanceerde deeltjesversneller ter wereld. Het kan een proton versnellen tot bijna de lichtsnelheid en het opladen met de energie van zeven terra-elektron-volt of TEV. Dit is genoeg kracht om atomen in kleine, piepkleine stukjes te breken en de architectuur te onthullen waaruit ons universum bestaat.

Het is indrukwekkend. Maar het heeft niets te maken met de energie van de deeltjes die vanuit de ruimte naar beneden regenen. De kosmische stralingsdeeltje met de hoogste energie ooit opgenomen, het Oh-My-God-deeltje genoemd, was twee miljoen (!) keer energieker dan de protonen die door de LHC worden voortgedreven.

Hoe doet de natuur dit? Francis Halzen, een deeltjesfysicus van de Universiteit van Wisconsin en een van de belangrijkste medewerkers van de nieuwe ontdekking, vraagt. Dit wordt al tientallen jaren vermeld als een van de grote open vragen in de astronomie en natuurkunde.

Het probleem met het zoeken naar de bronnen van deze zeer energierijke kosmische straling is dat ze niet altijd in een rechte lijn reizen. En dat betekent dat ze het niet kunnen herleiden tot de bron. In feite hebben we het noorderlicht en het zuiderlicht in de buurt van de polen omdat het magnetische veld van de aarde veel van de kosmische straling naar deze regio's omleidt.

moet ik mijn uber-chauffeur een fooi geven?

Hier komt het Zuidpoolobservatorium om de hoek kijken. Daar, Halzen; Naoko Kurahashi Neilson , een deeltjesfysicus aan de Drexel University; en verschillende van hun collega's in de natuurkunde hebben in het ijs naar antwoorden gezocht.

Ze werken aan de IceCube Neutrino-observatorium, die direct in het ijs onder het oppervlak van de Zuidpool is ingebouwd. Het observatorium wordt gefinancierd door de National Science Foundation en wordt beheerd door de Universiteit van Wisconsin.

In wezen is het een blok van 1 kubieke kilometer (ongeveer 1,3 miljard kubieke meter) kristalhelder ijs omgeven door sensoren. Deze sensoren zijn ingesteld om te detecteren wanneer subatomaire deeltjes genaamd neutrino's - die samen met andere subatomaire deeltjes in kosmische straling reizen - op de aarde botsen.

Een artistieke weergave van de IceCube-detector toont de interactie van een neutrino met een ijsmolecuul. Het weergavepatroon is hoe wetenschappers gegevens over opgenomen licht weergeven.

IceCube-samenwerking/NSF

Neutrino's verschillen op een enorm belangrijke manier van de andere componenten van kosmische straling: ze hebben niet veel interactie met andere vormen van materie. Ze hebben geen elektrische lading, dus het magnetisme van de aarde buigt ze niet af. En ze reizen in een relatief rechte lijn door het universum, en we kunnen ze terugvoeren naar een bron.

Als ik met een zaklamp door een muur schijn, gaat het licht niet door, Neilson, een medewerker van beide nieuwe kranten in Wetenschap, verklaart. Dat komt omdat de lichtdeeltjes, de fotonen, interageren met de deeltjes in de wand en ze niet kunnen doordringen. Als ik een neutrino-zaklamp had, zou die stroom neutrino's door de muur gaan.

Maar af en toe zal een neutrino - misschien elke 100.000 - een atoom in het ijs van het observatorium raken en het atoom uit elkaar breken.

En dan gebeurt er iets spectaculairs: de botsing produceert andere subatomaire deeltjes, zoals muonen, die vervolgens met een snelheid sneller dan de lichtsnelheid worden voortgestuwd als ze door het ijs gaan.

Je hebt misschien gehoord dat niets sneller kan reizen dan het licht. Dat is waar, maar alleen in een vacuüm. De fotonen waaruit licht bestaat (een subatomair deeltje op zich) vertragen eigenlijk een beetje wanneer ze een dichte substantie zoals ijs binnendringen. Maar andere subatomaire deeltjes, zoals muonen en elektronen, vertragen niet.

Wanneer deeltjes sneller dan het licht door een medium als ijs bewegen, gloeien ze. Het wordt Cherenkov-straling genoemd. En het fenomeen is vergelijkbaar met dat van een sonische knal. (Als je sneller gaat dan de snelheid van het geluid, produceer je een explosie van geluid.) Als deeltjes sneller bewegen dan het licht, laten ze een griezelig blauw licht achter zoals een speedboot een kielzog in het water achterlaat.

Hier is een artistieke weergave van hoe dit er allemaal uitziet. Het neutrino is de traanvorm in grijs.

NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab/Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

Het is een opwindende bevinding in het multi-messenger-tijdperk van de astronomie

Het licht dat door de deeltjes wordt uitgestraald, is de reden waarom ijs van cruciaal belang is voor het observatorium. Het is glashelder. Sensoren kunnen de flitsen detecteren en vervolgens een pad tekenen naar waar het in de lucht is ontstaan. Het specifieke neutrino - en het was er maar één - dat leidde tot de nieuwe ontdekking, trof het ijsblokje in september 2017 met een energie van 290 terra-elektronvolt. Nogmaals, dat is 40 keer zo energiek als de deeltjes in de LHC.

Binnen een minuut bepaalden de computers van het observatorium dat het neutrino uit de richting van het sterrenbeeld Orion was gekomen, en stuurden een geautomatiseerd alarm naar observatoria over de hele wereld om op zoek te gaan naar een meer precieze bron.

Hier vingen de onderzoekers een meevaller. Bijna gelijktijdig, de Fermi Gamma-ray Ruimtetelescoop ontdekte een toename van energetische activiteit van een melkwegstelsel in dezelfde richting. En observatoria over de hele wereld en in de ruimte hebben het ook opgepikt.

De Wetenschap kranten beweren dat dit waarschijnlijk geen toeval was: Fermi en de andere observatoria pikten dezelfde explosie van kosmische straling op die het neutrino naar het IceCube-observatorium voortstuwde en ze volgden het naar een enkele blazar op 4 miljard lichtjaar afstand. Toch zijn de wetenschappers er niet helemaal zeker van.

Dit resultaat maakt het niet absoluut zeker dat het neutrino uit de blazar kwam, zegt Kyle Cranmer, een NYU-deeltjesfysicus die niet bij het onderzoek betrokken was. Ik zou graag nog zo'n observatie willen zien.

En de IceCube-wetenschappers zijn het daarmee eens. Ik vergelijk het met een politieonderzoek naar een moord, zegt Halzen. We hebben net een doorbraak bereikt en we weten dat we de persoon gaan vinden, maar [we] hebben hem nog niet te pakken. Hoewel het argument voor de blazar nog overtuigender wordt gemaakt door het feit dat toen het IceCube-team hun gegevens van de afgelopen jaren doornam, ze andere neutrino's vonden die waarschijnlijk door dezelfde blazar werden uitgespuugd.

IceCube detecteert regelmatig neutrino's en astronomen kijken regelmatig naar blazars. Wat hier nieuw en opwindend is, is dat het IceCube-team zich tot collega's in observatoria over de hele wereld kon wenden om voor het eerst een hoogenergetisch neutrino naar zijn bron te volgen.

Zoals met veel ontdekkingen in de natuurkunde, roept deze meer vragen op dan ze beantwoordt. Wetenschappers weten nog steeds niet hoe blazars deeltjes daadwerkelijk versnellen tot zulke hoge energieën. Ze weten niet of alle blazars hiertoe in staat zijn, of slechts enkele. En ze weten niet welke andere objecten in het universum hoogenergetische kosmische straling kunnen produceren.

Dit is wetenschap zoals gewoonlijk, zegt Halzen. Je lost een probleem op, en dan ontstaan ​​er nog veel meer vragen die moeilijker op te lossen zijn. Maar dat is een perfecte situatie om vooruitgang te boeken.

Maar misschien nog spannender dan deze bevindingen is dat er waarschijnlijk veel meer zal komen uit dit soort internationale samenwerkingen in de astronomie. Ongeacht of dit neutrino nu wel of niet van deze blazar komt, [de resultaten die ze produceerden] zijn gewoon een ongelooflijke oefening van de spieren van het hele systeem, zegt Sarah Demers, een deeltjesfysicus van Yale die niet bij het onderzoek betrokken was. Dat het IceCube-lab een waarschuwing kan uitzenden die andere telescopen op dezelfde dag kunnen bevestigen, is een indrukwekkende prestatie.

wie schoot eerst of greedo

In de afgelopen jaren zijn astronomen enthousiast geworden over het idee van multi-messenger-astronomie - het idee om het universum te zien met andere natuurkrachten dan licht. Ja, we kunnen het heelal zien in allerlei golflengten van elektromagnetische straling: zichtbaar licht, infrarood, ultraviolet, gamma, enzovoort. Maar al deze vormen van straling zijn verschillende vormen van licht. Wat vandaag nieuw en opwindend is aan de natuurkunde, is dat we het universum ook kunnen zien in termen van neutrino's, en sinds twee jaar geleden zwaartekrachtsgolven .

Door de kracht van observatoria te combineren die elektromagnetische straling, neutrino's en zelfs zwaartekrachtsgolven kunnen onderzoeken, wordt het voor wetenschappers gemakkelijker om verder terug in het universum te kijken. Dat is de game-changer hier, zegt Neilson.