IceCube

Схема обсерваторії (англ.)

IceCube (укр. «Крижаний куб» або «Крижаний кубик», вимовляється «АйсК'юб») — нейтринна обсерваторія, побудована на антарктичній станції Амундсен-Скотт. Як і свій попередник, мюон-нейтринний детектор AMANDA, IceCube розташований глибоко під антарктичним льодом. На глибині від 1450 до 2450 метри поміщені міцні «нитки» з прикріпленими оптичними детекторами (фотопомножувачами). Кожна «нитка» має 60 фотопомножувачів. Оптична система реєструє черенковське випромінювання мюонів високої енергії, що рухаються в напрямку вгору (тобто з-під землі). Ці мюони можуть народжуватися лише при взаємодії з мюонними нейтрино, що пройшли крізь Землю, з електронами і нуклонами льоду (і шару ґрунту під льодом, товщиною близько 1 км). Потік мюонів, що рухаються зверху вниз, значно вищий, проте вони здебільшого народжуються у верхніх шарах атмосфери за рахунок космічних променів. Тисячі кілометрів земної речовини діють як фільтр, відсікаючи всі частинки, які відчувають сильну або електромагнітну взаємодію (мюони, нуклони, гамма-кванти тощо). З усіх відомих частинок тільки нейтрино можуть пройти Землю наскрізь. Таким чином, хоча IceCube розташований на Південному полюсі, він детектує нейтрино, що приходять з північної півсфери неба.

Назва детектора пов'язана з тим, що загальний об'єм черенковського радіатора (льоду), що використовується в ньому, у проєктній конфігурації досягає 1 км³.

Статус споруди

Будівництво обсерваторії

Будівництво нейтринного телескопа було розпочато 2005 року — тоді під лід була занурена перша «нитка» з оптичними детекторами. У наступному році кількість ниток досягла 9 штук, що зробило IceCube найбільшим нейтринним телескопом у світі. Протягом наступних двох літніх сезонів були встановлені 13 і потім 18 ниток з детекторами. Будівництво обсерваторії завершено в 2010 році, коли останні з 5160 передбачених проєктом оптичних модулів зайняли своє місце в товщі антарктичного льоду. Проте збір даних почався ще раніше. Перша нейтринна подія було зареєстрована 29 січня 2006 року.

Детектування нейтрино

Цифровий оптичний помножувач детектора нейтрино

Хоча проєктний темп реєстрації нейтрино детектором невеликий, кутова роздільна здатність досить добра. Протягом кількох років очікується побудова карти потоку високоенергетичних нейтрино з північної небесної півсфери.

Джерела гамма-випромінювання

Зіткнення протонів з протонами або з фотонами зазвичай породжує елементарні частинки піони. Заряджений піон розпадається головним чином на мюон і мюонне нейтрино, у той час як нейтральний піон зазвичай розпадається на два гамма-кванти. Потенційно потік нейтрино може збігатися з потоком гамма-квантів для таких джерел, як гамма-сплеск і залишки наднових. Дані, отримані за допомогою обсерваторії IceCube, об'єднані з даними таких детекторів високоенергійних гамма-квантів, як HESS і MAGIC, допоможуть краще зрозуміти природу цих явищ.

Теорія струн

Враховуючи потужність і місце розташування обсерваторії, вчені мають намір провести серію експериментів, покликаних підтвердити або спростувати деякі твердження теорії струн, зокрема — існування так званого стерильного нейтрино.

Механізм детектування

Нейтрино — це електрично нейтральні лептони, які дуже рідко взаємодіють з речовиною, через мізерний переріз взаємодії з речовиною (близько 10⁻³⁸ см²/ГеВ ). Коли вони все ж таки реагують з молекулами води в льоду, вони можуть створювати заряджені лептони (електрони, мюони або тау-лептони). Ці заряджені лептони, якщо вони мають достатню енергію, можуть випромінювати черенковське випромінювання. Це відбувається, коли заряджена частинка рухається по льоду швидше, ніж швидкість світла в льоду, подібно до ударної хвилі човна, який рухається швидше, ніж хвилі, які він перетинає. Це світло потім можна виявити за допомогою фотопомножувачів, розташованих всередині цифрових оптичних модулів, з яких складається IceCube.

Сигнали з фотопомножувачів оцифровуються та надсилаються на поверхню льодовика за допомогою кабелю. Ці сигнали збираються в наземному центрі опрацювання інформації, а деякі з них надсилаються на північ через супутник для подальшого аналізу. З 2014 року, дані, які не потребують негайного аналізу, зберігаються на жорстких дисках і їх відправляють на північ один раз на рік кораблем.

Отримавши дані, експериментатори можуть відтворити кінематичні параметри вхідного нейтрино. Якщо нейтрино має високу енергію, воно може спричинити потужний сигнал у детекторі, за просторовою орієнтацією якого можна зробити припущення про його джерело.

Кожен із цих етапів потребує певної мінімальної енергії, тому IceCube в основному реагує на нейтрино високих енергій, в діапазоні від 10⁷ до приблизно 10²¹ еВ.

IceCube чутливіший до мюонів, ніж до інших заряджених лептонів, оскільки вони мають найбільшу проникну здатність і характеризуються довгими, так званими, "треками" в детекторі. Треками називають один з видів слідів, що залишає по собі нейтрино внаслідок взаємодії з речовиною.Таким чином, з усіх типів нейтрино IceCube найчутливіший до мюонних нейтрино. Електрон, утворений в результаті взаємодії електронного нейтрино з речовиною, зазвичай розсіюється кілька разів, перш ніж втратити достатньо енергії, щоб опуститися нижче порогу для черенковського випромінювання; це означає, що електронні нейтринні події зазвичай не можуть бути використані для визначення джерела, але вони з більшою ймовірністю повністю містяться в детекторі, і тому вони можуть бути корисними для проведення досліджень енергетичного профілю. Події пов'язані з електронним нейтрино утворюють слід в детекторі, що має більш сферичну, або "каскадну", форму. Таким чином, за виглядом сигналу можна відрізнити різні типи нейтрино.

Тау-лептони також можуть створювати каскадні події; але вони короткоживучі і не можуть переміщатися на велику відстань, перш ніж розпастися, тому їх зазвичай неможливо відрізнити від електронних каскадів. Тау-лептон можна відрізнити від електрона за допомогою події "подвійного вибуху", коли каскад спостерігається як під час створення тау, так і під час його розпаду. Це можливо лише з тау-лептонами дуже високої енергії. Гіпотетично, щоб розпізнати такий сигнал, тау-лептону потрібно було б пролетіти принаймні від одного цифрового оптичного модуля до сусіднього (17 м) перед розпадом. Оскільки середня тривалість життя тау становить 2,9 × 10⁻¹³ с, то тау-лептон, що рухається зі швидкістю світла, потребував б 20 ТеВ енергії на кожен пройдений метр. На практиці, експериментатору знадобилося б більше простору, ніж просто від одного оптичного модуля до іншого, щоб розрізнити два каскади, тому пошуки "подвійного вибуху" зосереджені на енергіях порядку ПеВ. Такі пошуки тривають, але досі не змогли ізолювати подію "подвійного вибуху" від фонових подій.

Існує великий фон мюонів, створених не нейтрино з астрофізичних джерел, а космічними променями, які впливають на атмосферу над детектором. В IceCube спостерігається приблизно в 10⁶ разів більше мюонів космічних променів, ніж мюонів, викликаних нейтрино. Більшість нейтронних подій, що потрапляють в поле зору IceCube можна відфільтрувати, використовуючи факт того, що вони рухаються зверху-вниз. Більшість нейтрино, що залишилися (ті що йдуть знизу-вгору), походять від космічних променів, що падають на протилежну сторону Землі; деяка невідома частка може надходити з астрономічних джерел, і саме ці нейтрино є ключем до пошуку точкових джерел IceCube. Згідно з проведених оцінок, на день реєструється близько 75 нейтрино астрофізичного походження. Напрямки прибуття цих астрофізичних нейтрино — це точки, за допомогою яких телескоп IceCube складає мапу неба. Щоб статистично розрізнити нейтрино від астрофізичних джерел та атмосферне нейтрино, за його побічними продуктами (мюонами та електронами) взємодії з речовиною оцінюється напрямок і енергія вхідного нейтрино. Несподівані перевищення енергії або перевищення з певного просторового напрямку вказують на позаземне джерело.

Загалом, на початок 2024 року, було виявлено лише 7 частинок тау-нейтрино, проте це стало значним досягненням у вивченні космічних феноменів.

Див. також

• Амундсен-Скотт (антарктична станція)
• Нейтрино
• AMANDA
• RICE
• Антарктична астрономія

Посилання

• Офіційний сайт [Архівовано 12 січня 2015 у Wayback Machine.] (англ.)