Neutrinos är rikliga subatomära partiklar som är kända för att passera genom allt och allt, endast mycket sällan interagerar med materia. Cirka 100 biljoner neutriner passerar genom din kropp varje sekund. Nu, forskare har visat att jorden stoppar energiska neutriner – de går inte igenom allt. Dessa högenergi-neutrino-interaktioner sågs av IceCube-detektorn, en uppsättning av 5, 160 optiska sensorer i basketstorlek djupt inneslutna inom en kubikkilometer av mycket klar antarktisk is nära Sydpolen.

IceCubes sensorer observerar inte direkt neutriner, men istället mät blixtar av blått ljus, känd som Cherenkov-strålning, emitteras av myoner och andra snabbt rörliga laddade partiklar, som skapas när neutriner interagerar med isen, och av de laddade partiklarna som produceras när myonerna interagerar när de rör sig genom isen. Genom att mäta ljusmönstren från dessa interaktioner i eller nära detektormatrisen, IceCube kan uppskatta neutrinos riktningar och energier.

Studien, publicerad i numret av tidskriften den 22 november Natur , leddes av forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley.

Spencer Klein, som leder Berkeley Labs IceCube-forskningsteam, "Denna analys är viktig eftersom den visar att IceCube kan ge verkliga bidrag till partikel- och kärnfysik, vid energier över räckhåll för nuvarande acceleratorer."

Sandra Miarecki, som utförde mycket av dataanalysen medan hon arbetade mot sin doktorsexamen som IceCube-forskare vid Berkeley Lab och UC Berkeley, sa, "Det är en tvärvetenskaplig idé." Analysen krävde input från geologer som har skapat modeller av jordens inre från seismiska studier. Fysiker har använt dessa modeller för att förutsäga hur neutriner absorberas i jorden.

"Du skapar "låtsas"-myoner som simulerar sensorernas respons, " sa Miarecki. "Du måste simulera deras beteende, det måste finnas en ismodell för att simulera isens beteende, du måste också ha simuleringar av kosmisk strålning, och du måste simulera jorden med hjälp av ekvationer. Då måste du förutse, sannolikhetsmässigt, hur ofta en speciell myon skulle komma genom jorden."

Studiens resultat baseras på ett års data från cirka 10, 800 neutrino-relaterade interaktioner, som härrör från en naturlig tillgång på mycket energiska neutrinos från rymden som går genom en tjock och tät absorbator:jorden. Neutrinos energi var avgörande för studien, eftersom neutriner med högre energi är mer benägna att interagera med materia och absorberas av jorden.

Forskare fann att det fanns färre energiska neutriner som tog sig hela vägen genom jorden till IceCube-detektorn än från mindre blockerade vägar, som de som kommer in vid nästan horisontella banor. Sannolikheten för att neutriner skulle absorberas av jorden överensstämde med förväntningarna från standardmodellen för partikelfysik, som forskare använder för att förklara de grundläggande krafterna och partiklarna i universum. Denna sannolikhet – att neutrinos av en given energi kommer att interagera med materia – är vad fysiker kallar ett "tvärsnitt".

"Att förstå hur neutriner interagerar är nyckeln till driften av IceCube, " förklarade Francis Halzen, huvudforskare för IceCube Neutrino Observatory och professor i fysik vid University of Wisconsin-Madison. Precisionsmätningar vid HERA-acceleratorn i Hamburg, Tyskland, tillåt oss att beräkna neutrinotvärsnittet med stor noggrannhet inom standardmodellen – vilket skulle gälla för IceCube neutrinos med mycket högre energier om standardmodellen är giltig för dessa energier. "Vi hoppades naturligtvis på att lite ny fysik skulle dyka upp, men vi finner tyvärr att standardmodellen, som vanligt, klarar provet, ", tillägger Halzen.

James Whitmore, programchef på National Science Foundations fysikavdelning, sa, "IceCube byggdes för att både utforska fysikens gränser och, genom att göra så, möjligen utmana befintliga uppfattningar om universums natur. Detta nya fynd och andra som ännu inte kommer är i den andan av vetenskaplig upptäckt."

Denna studie ger de första tvärsnittsmätningarna för ett neutrinoenergiområde som är upp till 1, 000 gånger högre än tidigare mätningar vid partikelacceleratorer. De flesta neutrinon som valts ut för denna studie var mer än en miljon gånger mer energisk än neutrinon som producerades av mer välkända källor, som solen eller kärnkraftverk. Forskare såg till att mätningarna inte förvrängdes av detektorproblem eller andra osäkerheter.

"Neutrinos har ett ganska välförtjänt rykte om att överraska oss med sitt beteende, sa Darren Grant, talesperson för IceCube Collaboration och professor i fysik vid University of Alberta i Kanada. "Det är otroligt spännande att se denna första mätning och potentialen den har för framtida precisionstester."

Förutom att tillhandahålla den första mätningen av jordens absorption av neutriner, analysen visar att IceCubes vetenskapliga räckvidd sträcker sig bortom dess kärnfokus på upptäckter av partikelfysik och det framväxande området neutrinoastronomi till områdena planetvetenskap och kärnfysik. Denna analys kommer också att intressera geofysiker som skulle vilja använda neutriner för att avbilda jordens inre, även om detta kommer att kräva mer data än vad som användes i den aktuella studien.

För denna studie, IceCube-samarbetet, som omfattar mer än 300 medlemmar från 48 institutioner i 12 länder, utökat sitt forskningspartnerskap till att omfatta geologer i ett ännu större multidisciplinärt team.

En djupare förståelse för hur ofta en neutrino kommer genom jorden för att så småningom interagera inom IceCube-detektorn kräver också detaljerad kunskap om de antarktiska isegenskaperna, samspelet av kosmiska strålar med jordens atmosfär, och hur neutriner interagerar med materia.

Neutrinonerna som används i denna analys producerades mestadels när väte eller tyngre kärnor från kosmiska strålar med hög energi, skapad utanför solsystemet, interagerat med kväve eller syrekärnor i jordens atmosfär. Detta skapar en kaskad av partiklar, inklusive flera typer av subatomära partiklar som sönderfaller, producerar neutriner. Dessa partiklar regnar ner på jordens yta från alla håll.

Analysen inkluderade också ett litet antal astrofysiska neutriner, som produceras utanför jordens atmosfär, från kosmiska acceleratorer oidentifierade hittills, kanske förknippas med supermassiva svarta hål.

Neutrino-interaktionshändelserna som valdes ut för studien har energier på minst en biljon elektronvolt, eller en teraelektronvolt (TeV), ungefär den kinetiska energin hos en flygande mygga. Vid denna energi, jordens absorption av neutriner är relativt liten, och de lägsta energineutrinerna i studien fungerade till stor del som en absorptionsfri baslinje. Analysen var känslig för absorption i energiområdet från 6,3 TeV till 980 TeV, begränsas i högenergiändan av brist på tillräckligt energiska neutriner.

Vid dessa energier, varje enskild proton eller neutron i en kärna verkar oberoende, så absorptionen beror på antalet protoner eller neutroner som varje neutrino möter. Jordens kärna är särskilt tät, så absorptionen är störst där. Som jämförelse, de mest energirika neutrinerna som har studerats vid mänskligt byggda partikelacceleratorer var vid energier under 0,4 TeV. Forskare har använt dessa acceleratorer för att rikta strålar som innehåller ett enormt antal av dessa lägre energineutriner mot massiva detektorer, men endast en mycket liten bråkdel ger interaktioner.

IceCube-forskare använde data som samlats in från maj 2010 till maj 2011, från en partiell uppsättning av 79 "strängar, "var och en innehåller 60 sensorer inbäddade mer än en mil djupt i isen.

Gary Binder, en doktorand från UC Berkeley som är knuten till Berkeley Labs kärnvetenskapsavdelning, utvecklat programvaran som användes för att anpassa IceCubes data till en modell som beskriver hur neutriner fortplantar sig genom jorden.

Från detta, programvaran bestämde det tvärsnitt som bäst passade data. University of Wisconsin - Madison-studenten Chris Weaver utvecklade koden för att välja de upptäcktshändelser som Miarecki använde.

Simuleringar för att stödja analysen har utförts med hjälp av superdatorer vid University of Wisconsin-Madison och vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Fysiker hoppas nu kunna upprepa studien med hjälp av en utökad, flerårig analys av data från hela 86-strängade IceCube-arrayen, som slutfördes i december 2010, och att titta på högre intervall av neutrinoenergier för att hitta några antydningar om ny fysik bortom Standardmodellen. IceCube har redan upptäckt flera ultrahögenergineutriner, inom området petaelectronvolts (PeV), som har en 1, 000 gånger högre energi än de som detekteras i TeV-området.

Klein sa, "När vi kan minska osäkerheterna och kan titta på lite högre energier, vi kan titta på saker som kärnkraftseffekter på jorden, och kollektiva elektromagnetiska effekter."

Pärm lade till, "Vi kan också studera hur mycket energi en neutrino överför till en kärna när den interagerar, ger oss ytterligare en undersökning av kärnstruktur och fysik bortom standardmodellen."

Mer data kommer både att minska osäkerheterna och ge neutriner med ännu högre energier, öppnar nya möjligheter att undersöka neutrinofysik bortom standardmodellen. Det kommer också att göra det möjligt för forskare att utforska gränsen mellan jordens inre fasta kärna och dess flytande yttre kärna.

Ett långsiktigt mål är att bygga en större detektor, vilket skulle göra det möjligt för forskare att studera neutrinos med ännu högre energier. Den föreslagna IceCube-Gen2 skulle vara 10 gånger större än IceCube. Dess större storlek skulle göra det möjligt för detektorn att samla in mer data från neutriner vid mycket höga energier.

Vissa forskare funderar på att bygga en ännu större detektor, 100 kubikkilometer eller mer, med ett nytt tillvägagångssätt som söker efter pulser av radiovågor som produceras när mycket högenergineutriner interagerar i isen. Mätningar av neutrinoabsorption av en radiobaserad detektor skulle kunna användas för att söka efter nya fenomen som går långt utöver den fysik som redovisas i standardmodellen och kan granska strukturen hos atomkärnor mer i detalj än i andra experiment.

Miarecki sa, "Det här är ganska spännande - jag kunde inte ha tänkt på ett mer intressant projekt."