У Гренландії цього тижня дослідники бурили свердловини. Але вони не земноводні вчені, що шукають сліди минулого клімату. Це частинка астрофізиків, які шукають космічні прискорювачі, відповідальні за найенергійніші частинки у всесвіті. Розташовуючи сотні радіоантен на поверхні льоду і десятки метрів нижче, вони сподіваються вперше піймати уникненні частинки, відомі як нейтрино, на вищих енергіях, ніж будь-коли раніше. Детектори в інших місцях на Землі час від часу реєструють прибуття ультра-високоенергетичних (UHE) космічних променів – атомних ядер, що вдаряють в атмосферу зі швидкістю, настільки високою, що одна частинка може мати стільки енергії, скільки добре ударений тенісний м’яч. Вчені хочуть визначити їх джерела, але через те, що ядра заряджені, магнітні поля у космосі вигинають їх шлях, затемнюючи їх походження. Ось тут нейтрино і стають важливими. Теоретики вважають, що як UHE космічні промені відправляються зі своїх джерел, вони породжують так звані космогенні нейтрино, коли зіткнуться з фотонами від космічного мікрохвильового фону, який пронизує всесвіт. Оскільки вони не заряджені, нейтрино подорожують на Землю прямо як стріла. Складність полягає в тому, щоб їх піймати. Нейтрино відомі своєю неприхильністю до взаємодії з речовиною, що дозволяє трильйонам проходити через вас кожну секунду без будь-якого зауваження. Щоб піймати лише кілька нейтрино, що зіткнулися з атомами, необхідно контролювати величезні об’єми матеріалу. Найбільший детектор IceCube Neutrino Observatory в Антарктиці спостерігає за спалахами світла від зіткнень нейтрино і атомів на 1 кубічний кілометр льоду під Південним полюсом. З 2010 року IceCube виявив багато нейтрино з глибинного простору, але лише кілька – з прізвищами Берт, Ерні та Біг-Берд – мають енергії, що наближаються до 10 петаелектронвольт (PeV), очікуваної енергії космогенних нейтрино, каже Ольга Ботнер, член команди IceCube з Уппсальського університету. “Щоб виявити декілька нейтрино з ще більшими енергіями за розумний час, нам потрібно контролювати значно більші об’єми льоду”. Один зі способів зробити це – скористатися іншим сигналом, що генерується при впливі нейтрино: імпульсом радіохвиль. Оскільки хвилі подорожують до 1 кілометра всередині льоду, широко розташований масив радіоантен біля поверхні може контролювати значно більший об’єм льоду за менші кошти, ніж IceCube зі своїми довгими рядами фотонних детекторів глибоко в льоду. Радіо Нейтрино Обсерваторія Гренландії (RNO-G), очолювана Університетом Чикаго, Вільним університетом Брюсселя та Німецьким центром прискорювачів DESY, є першим узгодженим зусиллям для перевірки концепції. Після завершення в 2023 році вона матиме 35 станцій, кожна з двома десятками антен, що покривають загальну площу 40 квадратних кілометрів. Команда встановила першу станцію на минулому тижні біля Самітової станції, що належить США, на апексі Гренландського льодовика, і перейшла до другої. Середовище віддалене та непрощаюче. “Якщо ви щось не принесли, ви не зможете швидко його доставити”, – каже Декону. “Вам доведеться зробити все, що ви маєте”. Космогенні нейтрино, які команда сподівається піймати, вважають, що вони випромінюються з насильницьких космічних двигунів. Найбільш ймовірними джерелами енергії є супермасивні чорні діри, які поїдають матеріал зі своїх оточуючих галактик. IceCube відслідкував два нейтрино з глибинного простору з енергіями, меншими за Берт, Ерні та Біг-Берд, до галактик з масивними чорними дірами – ознака того, що вони на правильному шляху. Але для підтвердження зв’язку потрібно набагато більше нейтрино з вищими енергіями. Окрім того, вчені сподіваються, що нейтрино покажуть, з чого складаються ці частинки. Дві головні інструменти, які виявляють UHE космічні промені, відрізняються за їх складом. Дані з Телескопу в Уті показують, що вони виключно з протонів, тоді як Спостережна площадка П’єра Оже в Аргентині вказує на те, що серед протонів змішані важкі ядра. Спектр енергії нейтрино, які породжуються цими частинками, повинен відрізнятися в залежності від їх складу, що в свою чергу може надати підказок щодо того, як і де вони прискорюються. RNO-G може впіймати достатньо нейтрино, щоб розкрити ці ознаки різниці в енергії, каже Анна Неллес з Університету Фрідріха Александра в Ерланген-Нюрнберзі, один з лідерів проекту, яка оцінює, що RNO-G може впіймати до трьох космогенних нейтрино на рік. Але, “Якщо нам не пощастить”, – каже вона, – виявлення можуть бути настільки рідкісними, що для того, щоб впіймати хоча б один, знадобиться десятки тисяч років. Навіть якщо RNO-G виявиться грою в очікуванні, вона також буде тестовим майданчиком для набагато більшої радіоареї, розповсюдженої на 500 квадратних кілометрів, запланованої як частина оновлення IceCube. Якщо космогенні нейтрино є, друге покоління IceCube їх знайде та вирішить питання того, що вони є. “Вона може бути залита нейтрино, 10 на годину”, – каже Неллес. “Але нам потрібно пощастити”.
Щоб спіймати нейтрино з глибокого космосу, астрономи влаштовують пастки в льоду Ґренландії
Автор: