Grönland jégmezőin állítanak csapdákat a hatalmas energiájú neutrínóknak

2538

Valahol messze, Grönland jégmezőinek tetején, kutatók egy kis csoportja furatlyukakat készít július második hetén. Ők nem az ősi Föld éghajlatának eredtek nyomába, hanem asztrofizikusokként az Univerzum legnagyobb energiájú részecskéinek kozmikus gyorsítóit keresik. Több száz rádióantennát helyeznek el a jég tetején, illetve több méter mélyre, hogy a ,,megfoghatatlan” nagy energiájú neutrínókat elcsípjék.

A Földön másutt elhelyezett detektorok is észlelnek időről-időre ultranagy energiájú kozmikus részecskéket (UHE – ultra-high energy), atommagokat, melyek olyan sebességgel csapódnak a légkörbe, hogy egyetlen részecske is egy jól megütött teniszlabda energiájával repül. Kutatók régóta keresik a forrásaikat, viszont mivel a magok töltöttek, így a mágneses térben elhajlik a pályájuk, elrejtve valódi forrásuk irányát.

Itt jönnek szóba a neutrínók. Elméleti kutatók szerint ahogyan az UHE kozmikus sugarak kilépnek forrásaikból, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás fotonjaival ütközve úgynevezett kozmogenikus neutrínókat keltenek. Mivel nincsen töltésük, a neutrínók egyenes vonalban utazva jutnak el a Földre. A probléma ott van, mikor el kell kapni őket. A neutrínók ugyanis kevéssé hatnak kölcsön, így ennek a cikknek az olvasása közben is több billió neutrínó repül át rajtunk akadálytalanul (és észrevétlenül). Ahhoz, hogy akárcsak egy maréknyi neutrínót elfogjunk, óriási térfogatú anyagot kell megfigyelés alatt tartani.

Piros zászlók jelölik az antennák helyét, amik a jégbe csapódó neutrínók keltette hullámokat figyelik. (Forrás: CHRISTOPH WELLING/RNO-G COLLABORATION/DESY)

A legnagyobb ilyen detektor az antarktiszi IceCube Neutrino Observatory, ami a Déli-sark jege alatt 1 köbkilométer térfogatban figyeli a neutrínók ütközéseivel járó fényvillanásokat. A detektor 2010-es indulása óta sok mélyűrből származó neutrínót rögzített, de csak egy kis kupac olyat, amik energiája 10 PeV közelébe ért; ez a kozmogenikus neutrínók feltételezett energiája. Annyira kevés ilyen neutrínót találtak, hogy még saját beceneveket is kaptak, Bert, Ernie és Big Bird. Ahhoz, hogy több ilyen nagyenergiás neutrínót kapjanak el, ahhoz jóval nagyobb térfogatot kéne figyelni.

Egy módszer a detektálásukra a neutrínó ütközések keltette másik jel megfigyelése: a rádióhullámoké. Ezek a hullámok akár 1 km távolságba is eljutnak a jégen belül, így a felszín közelében nagy területen elosztott rádióantenna csoport jóval nagyobb térfogatot képes megfigyelni, mint az IceCube (ráadásul olcsóbban is). A Radio Neutrino Observatory Greenland (RNO-G) az első ilyen törekvés, mely a University of Chicago, Free University of Brussels és a német DESY részecskegyorsító együttműködésével született meg. Várhatóan 2023-ra fog elkészülni, 35 állomással, melyek mindegyike két tucat antennából fog állni – a teljes megfigyelt terület így 40 négyzetkilométer. Az első állomást 2021. július első hetében telepítették.

A kozmogenikus neutrínók vélhetőleg hirtelen nagy energiafelszabadulásokat produkáló kozmikus forrásokból származnak. A legvalószínűbb jelöltek a környező galaxisok anyagából lakomázó, szupernagytömegű fekete lyukak lehetnek. Az IceCube kísérlet két mélyűrből érkező neutrínót is visszakövetett nagy tömegű fekete lyukakhoz (ezek energiája alacsonyabb volt, mint Bert, Ernie és a Big Bird neutrínóké), ami jó jele annak, hogy az elképzelések helyesek az UHE forrásait illetően. A tényleges megerősítéshez viszont jóval több nagyenergiájú neutrínót kell detektálni.

Szintén neutrínókra vadászik az IceCube laboratóriuma a Déli-sarkon. (Forrás: Erik Beiser, IceCube/NSF)

Az UHE kozmikus sugárzás forrásainak pontosításán túl abban is reménykednek, hogy a neutrínók megmutatják az összetételét is. Az UHE kozmikus sugarak detektálására készített két fő műszer adatai eltérőek a sugárzás összetételét illetően: a Utah államban található Telescope Array mérései szerint kizárólag protonok alkotják, míg az Argentínában levő Pierre Auger Obszervatórium adatai alapján nehezebb atommagok keverednek a protonok közé. Ezek a részecskék keltette neutrínók energiaspektruma el kell, hogy térjen a kozmikus sugárzás összetételének megfelelően (amiből ezen kívül arra is választ kaphatunk, hol és hogyan gyorsulnak fel).

Az RNO-G kísérlettel várhatóan sikerül majd annyi neutrínót elcsípni, hogy kiderüljenek a fenti kérdésekre a válaszok. Ha viszont nagyon szerencsétlenül járnánk, akkor olyan ritkák is lehetnek a detektálások, hogy egyetlen egy eseményre is több tízezer évet kéne várni. Még ha ez is bizonyosodna be, az RNO-G akkor is kiváló előfutára egy jóval nagyobb, 500 négyzetkilométer területen szétterülő rádióantenna hálózatnak, amit az IceCube kísérlet bővítéseként terveznek. Ha a kozmogenikus neutrínók mérhetőek, remélhetőleg az RNO-G is, de az IceCube második generációja már biztosan észlelni fogja őket. Ha szerencsések leszünk, akár óránként 10 darabot is elfoghatunk majd belőlük.

Forrás: Science

Hozzászólás

hozzászólás