Di Stesen Kutub Amundsen – Scott Selatan di Antartika terletak IceCube Neutrino Observatory - sebuah kemudahan yang didedikasikan untuk kajian zarah unsur yang dikenali sebagai neutrino. Susunan ini terdiri daripada 5,160 sensor optik sfera - Modul Optik Digital (DOM) - terkubur dalam jarak satu kilometer padu ais yang jernih. Pada masa ini, balai cerap ini adalah pengesan neutrino terbesar di dunia dan telah menghabiskan tujuh tahun terakhir untuk mengkaji bagaimana zarah-zarah ini berkelakuan dan berinteraksi.
Kajian terbaru yang dikeluarkan oleh kerjasama IceCube, dengan bantuan ahli fizik dari Pennsylvania State University, telah mengukur kemampuan Bumi untuk menyekat neutrino untuk pertama kalinya. Selaras dengan Model Piawai Fizik Partikel, mereka menentukan bahawa sementara triliunan neutrino melewati Bumi (dan kita) secara berkala, ada yang kadang-kadang dihentikan olehnya.
Kajian yang berjudul "Pengukuran Keratan Interaksi Multi-TeV Neutrino dengan IceCube Menggunakan Penyerapan Bumi", baru-baru ini muncul dalam jurnal ilmiah Alam semula jadi. Hasil pasukan kajian berdasarkan pemerhatian 10,784 interaksi yang dibuat oleh tenaga tinggi, neutrino bergerak ke atas, yang direkodkan selama setahun di balai cerap.
Kembali pada tahun 2013, pengesanan pertama neutrino bertenaga tinggi dibuat oleh kerjasama IceCube. Neutrin ini - yang dipercayai berasal dari astrofisik - berada dalam julat volt peta-elektron, menjadikannya neutrino tenaga tertinggi yang ditemui hingga kini. IceCube mencari tanda-tanda interaksi ini dengan mencari radiasi Cherenkov, yang dihasilkan setelah zarah-zarah bermuatan pantas diperlahankan dengan berinteraksi dengan bahan normal.
Dengan mengesan neutrino yang berinteraksi dengan ais yang jernih, instrumen IceCube dapat menganggarkan tenaga dan arah perjalanan neutrino. Walaupun terdapat pengesanan ini, namun misteri tetap ada apakah atau tidak apa-apa jenis perkara yang dapat menghentikan neutrino semasa perjalanan ke angkasa. Sesuai dengan Model Piawai Fizik Partikel, ini adalah sesuatu yang harus berlaku sesekali.
Setelah memerhatikan interaksi di IceCube selama satu tahun, pasukan sains mendapati bahawa neutrino yang harus melakukan perjalanan paling jauh melalui Bumi cenderung untuk mencapai pengesan. Seperti yang dijelaskan oleh Doug Cowen, seorang profesor fizik dan astronomi / astrofizik di Penn State, dalam siaran akhbar Penn State:
"Pencapaian ini penting kerana untuk pertama kalinya menunjukkan bahawa neutrino bertenaga tinggi dapat diserap oleh sesuatu - dalam hal ini, Bumi. Kami tahu bahawa neutrino bertenaga rendah melewati apa sahaja, tetapi walaupun kami menjangkakan neutrino bertenaga tinggi berbeza, tidak ada eksperimen sebelumnya yang dapat menunjukkan dengan meyakinkan bahawa neutrino berenergi lebih tinggi dapat dihentikan oleh apa pun. "
Keberadaan neutrino pertama kali diusulkan pada tahun 1930 oleh ahli fizik teori Wolfgang Pauli, yang mendalilkan keberadaan mereka sebagai cara untuk menjelaskan peluruhan beta dari segi pemuliharaan undang-undang tenaga. Mereka dinamakan begitu kerana elektrik tidak neutral, dan hanya berinteraksi dengan bahan dengan sangat lemah - iaitu melalui daya dan graviti subatomik yang lemah. Oleh kerana itu, neutrino melalui bahan normal secara berkala.
Walaupun neutrino dihasilkan secara berkala oleh bintang dan reaktor nuklear di Bumi, neutrino pertama terbentuk semasa Big Bang. Oleh itu, kajian mengenai interaksi mereka dengan bahan normal dapat memberi tahu kita banyak tentang bagaimana Alam Semesta berkembang selama berbilion tahun. Ramai saintis menjangkakan bahawa kajian neutrino akan menunjukkan adanya fizik baru, yang melampaui Model Piawai.
Oleh kerana itu, pasukan sains agak terkejut (dan mungkin kecewa) dengan keputusan mereka. Seperti yang dijelaskan oleh Francis Halzen - penyiasat utama untuk Observatori IceCube Neutrino dan seorang profesor fizik di University of Wisconsin-Madison - menjelaskan:
"Memahami bagaimana neutrino berinteraksi adalah kunci untuk operasi IceCube. Kami tentu saja mengharapkan beberapa fizik baru muncul, tetapi sayangnya kami mendapati bahawa Model Piawai, seperti biasa, menahan ujian.
Sebahagian besar, neutrino yang dipilih untuk kajian ini lebih daripada satu juta kali lebih bertenaga daripada yang dihasilkan oleh loji tenaga matahari atau tenaga nuklear kita. Analisis ini juga merangkumi beberapa yang bersifat astrofizik - iaitu dihasilkan di luar atmosfera Bumi - dan mungkin telah dipercepat ke arah Bumi oleh lubang hitam supermasif (SMBH).
Darren Grant, seorang profesor fizik di University of Alberta, juga merupakan jurucakap Kolaborasi IceCube. Seperti yang ditunjukkannya, kajian interaksi terbaru ini membuka pintu untuk penyelidikan neutrino masa depan. "Neutrinos mempunyai reputasi yang cukup baik untuk mengejutkan kita dengan tingkah laku mereka," katanya. "Sangat mengasyikkan untuk melihat pengukuran pertama ini dan potensi yang ada untuk ujian ketepatan masa depan."
Kajian ini bukan sahaja memberikan pengukuran pertama penyerapan neutrino di Bumi, tetapi juga memberi peluang kepada para penyelidik geofizik yang berharap dapat menggunakan neutrino untuk menjelajahi kawasan dalaman Bumi. Memandangkan Bumi mampu menghentikan beberapa miliaran zarah bertenaga tinggi yang secara rutin menembusinya, para saintis dapat mengembangkan kaedah untuk mengkaji inti dalam dan luar Bumi, dengan meletakkan batasan yang lebih tepat pada ukuran dan kepadatannya.
Ini juga menunjukkan bahawa Observatorium IceCube mampu mencapai tujuan yang lebih awal, yang merupakan penyelidikan fizik partikel dan kajian mengenai neutrino. Seperti yang ditunjukkan oleh kajian terbaru ini, kajian ini juga dapat menyumbang kepada penyelidikan sains planet dan fizik nuklear. Ahli fizik juga berharap dapat menggunakan susunan IceCube 86-string penuh untuk melakukan analisis bertahun-tahun, memeriksa julat tenaga neutrino yang lebih tinggi lagi.
Seperti yang ditunjukkan oleh James Whitmore - pengarah program di bahagian fizik National Science Foundation (NSF) (yang memberikan sokongan untuk IceCube) - ini dapat membolehkan mereka benar-benar mencari fizik yang melampaui Model Standard.
“IceCube dibina untuk menjelajahi perbatasan fizik dan, dengan melakukannya, mungkin menantang persepsi yang ada mengenai alam semesta. Penemuan baru ini dan yang lain masih ada dalam semangat penemuan saintifik. "
Sejak penemuan boson Higgs pada tahun 2012, ahli fizik telah selamat mengetahui bahawa perjalanan panjang untuk mengesahkan Model Standard kini sudah lengkap. Sejak itu, mereka telah menetapkan set mereka lebih jauh, dengan harapan dapat mencari fizik baru yang dapat menyelesaikan beberapa misteri alam semesta yang lebih dalam - iaitu supersimetri, Teori Segala-galanya (ToE), dll.
Ini, serta mengkaji bagaimana fizik berfungsi pada tahap tenaga tertinggi (serupa dengan yang ada semasa Big Bang) adalah keasyikan ahli fizik semasa. Sekiranya mereka berjaya, kita mungkin akan memahami bagaimana perkara besar yang dikenali sebagai Alam Semesta ini berfungsi.
