Tại nhà ga Amundsen Scott Scott ở Nam Cực ở Nam Cực là Đài thiên văn IceCube Neutrino - một cơ sở dành riêng cho việc nghiên cứu các hạt cơ bản được gọi là neutrino. Mảng này bao gồm 5.160 cảm biến quang hình cầu - Mô-đun quang kỹ thuật số (DOM) - được chôn trong một km khối băng rõ ràng. Hiện tại, đài thiên văn này là máy dò neutrino lớn nhất thế giới và đã dành 7 năm qua để nghiên cứu cách thức các hạt này hoạt động và tương tác.
Nghiên cứu gần đây nhất được công bố bởi sự hợp tác của IceCube, với sự hỗ trợ của các nhà vật lý từ Đại học bang Pennsylvania, đã lần đầu tiên đo được khả năng Earth Earth để chặn neutrino. Phù hợp với Mô hình chuẩn của Vật lý hạt, họ xác định rằng trong khi hàng nghìn tỷ neutrino đi qua Trái đất (và chúng ta) một cách thường xuyên, một số đôi khi bị dừng lại bởi nó.
Nghiên cứu có tiêu đề Đo lường về mặt cắt ngang của tương tác neutrino đa TeV với IceCube sử dụng hấp thụ trái đất, gần đây đã xuất hiện trên tạp chí khoa học Thiên nhiên. Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu dựa trên việc quan sát 10.784 tương tác được tạo ra bởi các neutrino năng lượng cao, di chuyển lên trên, được ghi lại trong suốt một năm tại đài thiên văn.
Quay trở lại năm 2013, những phát hiện đầu tiên của neutrino năng lượng cao đã được thực hiện bởi sự hợp tác của IceCube. Những neutrino này - được cho là có nguồn gốc vật lý thiên văn - nằm trong dải volt peta-electron, khiến chúng trở thành neutrino năng lượng cao nhất được phát hiện cho đến nay. IceCube tìm kiếm các dấu hiệu của các tương tác này bằng cách tìm kiếm bức xạ Cherenkov, được tạo ra sau khi các hạt tích điện chuyển động nhanh bị chậm lại do tương tác với vật chất bình thường.
Bằng cách phát hiện neutrino tương tác với băng rõ ràng, các thiết bị IceCube có thể ước tính năng lượng và hướng di chuyển của neutrino. Mặc dù có những phát hiện này, tuy nhiên, điều bí ẩn vẫn là liệu có bất kỳ loại vật chất nào có thể ngăn chặn một neutrino khi nó đi qua không gian hay không. Theo Mô hình chuẩn của Vật lý hạt, đây là điều nên xảy ra trong dịp này.
Sau khi quan sát các tương tác tại IceCube trong một năm, nhóm khoa học phát hiện ra rằng neutrino phải di chuyển xa nhất qua Trái đất sẽ ít có khả năng tiếp cận máy dò hơn. Như Doug Cowen, giáo sư vật lý và thiên văn học / vật lý thiên văn tại bang Pennsylvania, đã giải thích trong thông cáo báo chí của bang Pennsylvania:
Thành tựu này rất quan trọng vì lần đầu tiên nó cho thấy rằng neutrino năng lượng rất cao có thể bị hấp thụ bởi thứ gì đó - trong trường hợp này là Trái đất. Chúng ta biết rằng neutrino năng lượng thấp đi qua bất cứ thứ gì, nhưng mặc dù chúng ta đã dự đoán neutrino năng lượng cao sẽ khác, nhưng không có thí nghiệm nào trước đây có thể chứng minh một cách thuyết phục rằng neutrino năng lượng cao hơn có thể bị chặn bởi bất cứ thứ gì.
Sự tồn tại của neutrino lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1930 bởi nhà vật lý lý thuyết Wolfgang Pauli, người cho rằng sự tồn tại của chúng là một cách giải thích sự phân rã beta về mặt bảo tồn định luật năng lượng. Chúng được đặt tên như vậy bởi vì chúng trung tính về điện và chỉ tương tác với vật chất rất yếu - tức là thông qua lực hạ nguyên tử và lực hấp dẫn yếu. Bởi vì điều này, neutrino đi qua vật chất bình thường một cách thường xuyên.
Trong khi neutrino được sản xuất thường xuyên bởi các ngôi sao và lò phản ứng hạt nhân ở đây trên Trái đất, neutrino đầu tiên được hình thành trong Vụ nổ lớn. Do đó, nghiên cứu về sự tương tác của chúng với vật chất bình thường có thể cho chúng ta biết nhiều về cách thức Vũ trụ phát triển trong suốt hàng tỷ năm. Nhiều nhà khoa học dự đoán rằng nghiên cứu về neutrino sẽ chỉ ra sự tồn tại của vật lý mới, những thứ vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn.
Vì điều này, nhóm khoa học đã hơi ngạc nhiên (và có lẽ thất vọng) với kết quả của họ. Như Francis Halzen - nhà điều tra chính của Đài thiên văn IceCube Neutrino và là giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison - đã giải thích:
Hiểu về cách neutrino tương tác là chìa khóa cho hoạt động của IceCube. Tất nhiên chúng tôi hy vọng một số vật lý mới sẽ xuất hiện, nhưng chúng tôi không may thấy rằng Mô hình Chuẩn, như thường lệ, chịu được thử nghiệm.
Đối với hầu hết các phần, neutrino được chọn cho nghiên cứu này có năng lượng gấp hơn một triệu lần so với các hạt được sản xuất bởi các nhà máy điện Mặt trời hoặc hạt nhân của chúng ta. Phân tích cũng bao gồm một số vật lý thiên văn trong tự nhiên - tức là được tạo ra ngoài bầu khí quyển Trái đất - và có thể đã được gia tốc về Trái đất bởi các lỗ đen siêu lớn (SMBH).
Darren Grant, giáo sư vật lý tại Đại học Alberta, cũng là người phát ngôn cho sự hợp tác IceCube. Như ông chỉ ra, nghiên cứu tương tác mới nhất này mở ra cánh cửa cho nghiên cứu neutrino trong tương lai. Ông Neutrino có tiếng tăm khá nổi tiếng khi làm chúng tôi ngạc nhiên với hành vi của họ, ông nói. Thật là thú vị khi thấy phép đo đầu tiên này và tiềm năng của nó cho các bài kiểm tra chính xác trong tương lai.
Nghiên cứu này không chỉ cung cấp phép đo đầu tiên về sự hấp thụ neutrino của Trái đất, nó còn mang đến cơ hội cho các nhà nghiên cứu địa vật lý đang hy vọng sử dụng neutrino để khám phá bên trong Trái đất. Cho rằng Trái đất có khả năng ngăn chặn một số hàng tỷ hạt năng lượng cao thường xuyên đi qua nó, các nhà khoa học có thể phát triển một phương pháp nghiên cứu lõi bên trong và bên ngoài của Trái đất, đặt ra các ràng buộc chính xác hơn về kích thước và mật độ của chúng.
Nó cũng cho thấy Đài thiên văn IceCube có khả năng vươn xa hơn mục đích ban đầu của nó, đó là nghiên cứu vật lý hạt và nghiên cứu về neutrino. Khi nghiên cứu mới nhất này cho thấy rõ ràng, nó có khả năng đóng góp cho nghiên cứu khoa học hành tinh và vật lý hạt nhân. Các nhà vật lý cũng hy vọng sử dụng mảng IceCube 86 chuỗi đầy đủ để tiến hành phân tích nhiều năm, kiểm tra các dải năng lượng neutrino thậm chí cao hơn.
Như James Whitmore - giám đốc chương trình của bộ phận vật lý National Science Foundation (NSF) (cung cấp hỗ trợ cho IceCube) - chỉ ra, điều này có thể cho phép họ thực sự tìm kiếm vật lý vượt ra ngoài Mô hình chuẩn.
Đá IceCube được xây dựng để vừa khám phá các biên giới vật lý, vừa làm như vậy, có thể thách thức những nhận thức hiện có về bản chất của vũ trụ. Phát hiện mới này và những phát hiện khác chưa có trong tinh thần khám phá khoa học đó.
Kể từ khi phát hiện ra boson Higgs vào năm 2012, các nhà vật lý đã an tâm khi biết rằng hành trình dài để xác nhận Mô hình Chuẩn đã hoàn tất. Kể từ đó, họ đã thiết lập các bộ của mình xa hơn, hy vọng tìm ra vật lý mới có thể giải quyết một số bí ẩn sâu sắc hơn của Vũ trụ - tức là siêu đối xứng, Lý thuyết về mọi thứ (ToE), v.v.
Điều này, cũng như nghiên cứu cách vật lý hoạt động ở mức năng lượng cao nhất (tương tự như những thứ tồn tại trong Vụ nổ lớn) là mối bận tâm hiện tại của các nhà vật lý. Nếu họ thành công, chúng ta có thể hiểu được cách thức thứ vũ trụ khổng lồ này được gọi là Vũ trụ hoạt động.
