Den 6 december 2016, en högenergipartikel som kallas en elektron antineutrino slungas till jorden från yttre rymden med nära ljusets hastighet som bär 6,3 petaelectronvolts (PeV) energi. Djupt inne i inlandsisen på Sydpolen, den slogs in i en elektron och producerade en partikel som snabbt sönderföll till en dusch av sekundära partiklar. Interaktionen fångades av ett massivt teleskop begravt i den antarktiska glaciären, IceCube Neutrino Observatory.

IceCube hade sett en Glashow-resonanshändelse, ett fenomen som förutspåddes av nobelpristagarens fysiker Sheldon Glashow 1960. Med denna upptäckt, forskare gav ytterligare en bekräftelse på standardmodellen för partikelfysik. Det visade också ytterligare IceCubes förmåga, som upptäcker nästan masslösa partiklar som kallas neutrinos med hjälp av tusentals sensorer inbäddade i Antarktis is, att göra grundläggande fysik. Resultatet publicerades den 10 mars i Natur .

Sheldon Glashow föreslog denna resonans först 1960 när han var postdoktor vid det som idag är Niels Bohr Institutet i Köpenhamn, Danmark. Där, han skrev en artikel där han förutspådde att en antineutrino (en neutrinos antimateria tvilling) skulle kunna interagera med en elektron för att producera en ännu oupptäckt partikel – om antineutrino hade bara rätt energi – genom en process som kallas resonans.

När den föreslagna partikeln, den W ^- boson, upptäcktes slutligen 1983, det visade sig vara mycket tyngre än vad Glashow och hans kollegor hade förväntat sig redan 1960. Glashow-resonansen skulle kräva en neutrino med en energi på 6,3 PeV, nästan 1, 000 gånger mer energisk än vad CERNs Large Hadron Collider kan producera. Faktiskt, ingen mänsklig gjord partikelaccelerator på jorden, aktuell eller planerad, kunde skapa en neutrino med så mycket energi.

Men vad sägs om a naturlig gaspedalen – i rymden? De enorma energierna från supermassiva svarta hål i galaxernas centrum och andra extrema kosmiska händelser kan generera partiklar med energier som är omöjliga att skapa på jorden. Ett sådant fenomen var sannolikt ansvarigt för 6,3 PeV antineutrino som nådde IceCube 2016.

"När Glashow var postdoc på Niels Bohr, han kunde aldrig ha föreställt sig att hans okonventionella förslag för att producera W ^- boson skulle förverkligas av en antineutrino från en avlägsen galax som kraschar in i Antarktis is, säger Francis Halzen, professor i fysik vid University of Wisconsin-Madison, huvudkontoret för IceCube underhåll och drift, och huvudutredare för IceCube.

Sedan IceCube startade full drift i maj 2011, observatoriet har upptäckt hundratals astrofysiska neutrinos med hög energi och har producerat ett antal betydande resultat inom partikelastrofysik, inklusive upptäckten av ett astrofysiskt neutrinoflöde 2013 och den första identifieringen av en källa till astrofysiska neutriner 2018. Men Glashow-resonanshändelsen är särskilt anmärkningsvärd på grund av dess anmärkningsvärt höga energi; det är bara den tredje händelsen som upptäckts av IceCube med en energi som är större än 5 PeV.

"Detta resultat bevisar genomförbarheten av neutrinoastronomi - och IceCubes förmåga att göra det - som kommer att spela en viktig roll i framtida multibudbärarastropartikelfysik, säger Christian Haack, som var doktorand vid RWTH Aachen medan han arbetade med denna analys. "Vi kan nu upptäcka enskilda neutrinohändelser som omisskännligt är av utomjordiskt ursprung."

Resultatet öppnar också upp ett nytt kapitel av neutrinoastronomi eftersom det börjar skilja neutriner från antineutriner. "Tidigare mätningar har inte varit känsliga för skillnaden mellan neutrinos och antineutrinos, så detta resultat är den första direkta mätningen av en antineutrinokomponent av det astrofysiska neutrinofluxet, säger Lu Lu, en av huvudanalysatorerna i denna uppsats, som var postdoc vid Chiba University i Japan under analysen.

"Det finns ett antal egenskaper hos de astrofysiska neutrinos källor som vi inte kan mäta, som acceleratorns fysiska storlek och magnetfältstyrkan i accelerationsområdet, " säger Tianlu Yuan, en assisterande forskare vid Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center och en annan huvudanalysator. "Om vi ​​kan bestämma förhållandet mellan neutrino och antineutrino, vi kan direkt undersöka dessa egenskaper."

För att bekräfta upptäckten och göra en avgörande mätning av neutrino-till-antineutrino-förhållandet, IceCube Collaboration vill se fler Glashow-resonanser. En föreslagen expansion av IceCube-detektorn, IceCube-Gen2, skulle göra det möjligt för forskarna att göra sådana mätningar på ett statistiskt signifikant sätt. Samarbetet tillkännagav nyligen en uppgradering av detektorn som kommer att implementeras under de närmaste åren, det första steget mot IceCube-Gen2.

Glashow, nu en emeritus professor i fysik vid Boston University, upprepar behovet av fler detekteringar av Glashow-resonanshändelser. "För att vara helt säker, vi borde se en annan sådan händelse med samma energi som den som sågs, " säger han. "Än så länge finns det en, och en dag kommer det att bli fler."

Sist men inte minst, resultatet visar värdet av internationellt samarbete. IceCube drivs av över 400 forskare, ingenjörer, och personal från 53 institutioner i 12 länder, tillsammans känd som IceCube Collaboration. De viktigaste analysatorerna i detta dokument arbetade tillsammans över hela Asien, Nordamerika, och Europa.

"Detekteringen av denna händelse är en annan" första, ' visar ännu en gång IceCubes förmåga att leverera unika och enastående resultat, säger Olga Botner, professor i fysik vid Uppsala universitet i Sverige och tidigare talesperson för IceCube Collaboration.

"IceCube är ett underbart projekt. På bara några år av drift, detektorn upptäckte vad den var finansierad för att upptäcka – de kosmiska neutrinerna med högsta energi, deras potentiella källa i blazarer, och deras förmåga att hjälpa till i multibudbärarastrofysik, säger Vladimir Papitashvili, programansvarig vid Office of Polar Programs av National Science Foundation, IceCubes primära finansiär. James Whitmore, programansvarig vid NSF-avdelningen för fysik, lägger till, "Nu, IceCube förvånar forskare med en rik mängd nya skatter som ens teoretiker inte förväntade sig skulle hittas så snart."