NAJVEĆI teleskop na svijetu IceCube, ili na hrvatskom KockaLeda, koji se nalazi na Antarktici, prvi put je potvrdio postojanje neutrina visokih energija u Mliječnom putu.
Ovaj uspjeh, predstavljen u časopisu Science, trebao bi otvoriti vrata za novu astronomiju utemeljenu na promatranju visokoenergetskih neutrina koji mogu proći kroz gotovo sve zapreke, uključujući guste oblake plinova i prašine te čak velike svemirske objekte, kroz koje elektromagnetski valovi ne mogu proći.
Što su neutrini?
Neutrini su male, električno neutralne čestice koje se stvaraju u radioaktivnim raspadima u nuklearkama, u ekstremnim okruženjima poput onih koja vladaju oko masivnih crnih rupa te u udarima visoko-energetskih kozmičkih zraka sastavljenih od subatomskih čestica u atome. Oni s lakoćom prolaze kroz većinu tvari jer ne ulaze u reakcije s nabojima i rijetko se sudaraju s atomima.
Za ilustraciju, trebao bi zid od olova debljine jedne svjetlosne godine da zaustavi polovicu neutrina koji se kreću kroz njega. No to je istovremeno razlog zbog kojeg ih je vrlo teško detektirati.
Leonora Kardum, doktorandica fizike na tehničkom sveučilištu u Dortmundu u Njemačkoj, članica teleskopa IceCube, kaže da su neutrini najčešće čestice s masom u svemiru.
„Oko 10 trilijuna neutrina nastalih samo u Suncu prođe kroz svakog čovjeka svake sekunde, odnosno stotine trilijuna kad se uzmu u obzir još i neutrini iz svemira“, kaže Kardum.
Zašto neutrini ne ulaze u interakcije s tvari?
Neutrini rijetko ulaze u reakcije s atomima iz nekoliko razloga.
Prije svega zato što nemaju električni naboj, pa nemaju elektromagnetsku interakciju s atomima koja je prisutna kod naelektriziranih čestica poput elektrona ili protona.
Također, neutrini interagiraju uglavnom putem slabe nuklearne sile, jedne od četiri fundamentalne sile prirode. Ona je vrlo slaba i ima vrlo mali domet u usporedbi s drugim fundamentalnim silama kao što su elektromagnetska sila ili jaka nuklearna sila.
Konačno, na neutrine teško može djelovati gravitacija jer imaju izuzetno malu masu. Do nedavno se čak smatralo da nemaju masu, no eksperimentalna otkrića pokazala su da je ipak imaju, iako vrlo malu. Njihova točna vrijednost i dalje je predmet istraživanja, no procjene sugeriraju da je oko 500.000 puta manja od mase elektrona, koji je najlakša poznata subatomska čestica s masom.
Zašto su neutrini važni za znanost?
Neutrini imaju ključnu ulogu u različitim područjima znanosti, od astrofizike i kozmologije do fizike elementarnih čestica i testiranja fundamentalnih teorija.
Primjerice, oni mogu biti izvor informacija o udaljenim i ekstremnim objektima. Budući da kroz tvari prolaze gotovo neometano, oni do Zemlje mogu stići iz vrlo udaljenih dijelova svemira, uključujući ekstremna okruženja poput crnih rupa, supernova ili drugih astrofizičkih objekata koje je često teško istraživati. Promatranja i analize neutrinskih tokova mogu nam dati izravne informacije o tim objektima i procesima koji se odvijaju u njima.
Neutrini također igraju važnu ulogu u fizici elementarnih čestica. Pravilno proučavanje njihovih svojstava može nam pomoći razumjeti fundamentalne zakone prirode, poput mase, električnog naboja, oscilacija između različitih vrsta neutrina (ima ih najmanje tri) i interakcija slabih sila.
Neutrini su također ključni za proučavanje i razumijevanje svemira. Oni mogu pomoći u otkrivanju i razumijevanju supernova, izvora gama zraka u galaktičkim jezgrama te drugih astrofizičkih pojava. Proučavanje neutrinskih tokova pruža nam i informacije o formiranju i evoluciji svemira, strukturi galaksija i drugim ključnim pitanjima kozmologije.
Nadalje, neutrini su korisni za testiranje i provjeru fizikalnih teorija, uključujući standardni model čestica, teoriju relativnosti i druga područja fizike. Promatranja i mjerenja tokova neutrina mogu pružiti vrijedne podatke koji pomažu u potvrđivanju ili izazivanju postojećih teorija i otvaranju novih perspektiva u razumijevanju fundamentalnih zakona prirode.
Konačno, zbog velike brojnosti i brzine te slabe interakcije s materijom, neutrini su također važni kandidati za objašnjenje tamne materije.
Kako se detektiraju neutrini?
Budući da su neutrini premali da ih vidimo golim okom, čak i većinom različitih vrsta teleskopa, znanstvenici su u ledu Antarktike konstruirali opservatorij IceCube. On se sastoji od kocke leda teške milijardu tona, opremljene mrežom od preko 5000 zamrznutih senzora.
Kada otkriju neutrino, senzori se upale, a na temelju rasporeda senzora istraživači mogu odrediti energiju i smjer iz kojeg dolazi neutrino koji je stvorio bljesak.
Teleskop generira terabajt podataka svakodnevno koje vrijedno analizira preko 350 ljudi u 58 instituta.
IceCube, među ostalim, ima i odjele za istraživanje kozmičkih zraka i tamne materije.
Kako bi se točno konfigurirao rad detektora, znanstvenici IceCubea također istražuju glaciologiju.
Kolaboracija IceCubea
Kilometar i pol pod zemljom
Kardum kaže da je IceCube zakopan kilometar i pol ispod zemlje zbog čišćenja pozadinske buke.
„Tu udaljenost kroz led ili kamen prolaze samo neutrini i muoni vrlo visokih energija. Važno je također istaknuti da senzori ne vide neutrine izravno. Oni se bilježe samo u rijetkim slučajevima kada sudjeluju u reakciji neposredno prije ili baš u detektoru i stvore muon koji zatim stvara bljesak. Iz nekih svojstava tih događaja možemo zaključiti je li im prethodilo postojanje neutrina. Iz tog razloga su detekcija i razdvajanje neutrina od pozadine ostalih muona toliko kompleksni“, tumači naša fizičarka.
Zašto je teško otkriti neutrine u IceCubeu?
Kako smo već naveli, neutrine je vrlo teško detektirati iako ih kroz Zemlju prolazi cijelo mnoštvo.
IceCube bilježi oko 2600 događaja svake sekunde. No većina njih dolazi od sudara kozmičkih zraka s atomima od kojih se pak većina zbiva u Zemljinoj atmosferi.
Od više stotina tisuća neutrina koji se registriraju svake godine samo nekoliko stotina dolazi iz galaktičkih ili izvangalaktičkih izvora.
Trikovi kojima se znanstvenici služe u detekciji neutrina
Jedan od ključnih problema u detekciji neutrina jest njihovo razlikovanje od pozadinske buke koja dolazi od ostalih vrsta čestica koje prolaze kroz detektor i stvaraju signale slične signalima sudara neutrina s atomima.
Također je teško razaznati neutrine koji nastaju u atmosferi Zemlje od onih koji stižu od dalekih svemirskih objekata i fenomena koje želimo istraživati.
Kako bi ih pravilno filtrirali, znanstvenici koriste nekoliko trikova.
Prije svega neutrini se mogu sortirati po energiji, pri čemu su oni većih energija vjerojatnije iz svemira.
Znanstvenici također mogu tražiti neutrine iz prolaznih, astrofizičkih objekata poput crnih rupa koji su već otkriveni drugim teleskopima.
Filtriranje kroz Zemlju i led
Kardum kaže da se u IceCubeu uglavnom promatraju čestice koje su prije dolaska do detektora prošle kroz cijelu Zemlju.
„Mi bilježimo neutrine koji do detektora putuju od Sjevernog pola do Južnog pola. Tako smo sigurni da je događaj uzrokovala čestica koja je kroz stijene putovala par tisuća kilometara, što može samo neutrino. U kolaboraciji to zovemo up-going tracks, jer kad biste se našli na Južnom polu, promatrali biste čestice čija putanja izlazi iz tla prema gore“, kaže Kardum.
Budući da se IceCube nalazi na Južnom polu, a promatra čestice koje su prethodno prošle kroz Zemlju, on u potragama za astrofizičkim neutrinima zapravo uglavnom promatra Sjeverno nebo.
Izuzetnost novog rada
Kardum kaže da je novi rad po tom pitanju izuzetan, jer se galaktička ravnina Mliječnog puta i njezin centar nalaze na južnom nebu, što znači da je IceCube u istraživanju tog područja izložen velikom pozadinskom šumu muona koji su uspjeli proći kroz kilometar leda; oni nisu morali proći od Sjevernog pola do Južnog.
„IceCube detektira oko 100 milijuna muona na jedan astrofizički neutrino, a muoni u detektoru ostavljaju gotovo jednak potpis kao neutrini“, ističe Kardum.
„Nažalost, IceCube je zbog svoje prirode fiksni teleskop tako da promatranje ne možemo usmjeriti u neke poznate izvore. Najčešće vrijedi obratno, kao što je bilo 2017. godine u slučaju prvog otkrića neutrina iz blazara TXS 0506+056. Stoga se mobilni gama teleskopi naknadno usmjeravaju u područja u kojima IceCube bilježi neutrine. Mi mjerimo samo stotinjak astrofizičkih neutrina godišnje, tako da se svaki neutrino zasebno rekonstruira i analizira. Na temelju njihovih putanja kasnije se prema mogućem izvoru mogu usmjeriti ostali opservatoriji“, kaže Kardum.
U novom istraživanju pomogla je umjetna inteligencija
Znanstvenici već godinama bilježe neutrine visokih energija u drugim galaksijama. Nastanak neutrina često je povezan s kozmičkim zrakama, a znanstvenici su već ranije zabilježili kozmičke zrake koje nastaju u ravnini Mliječnog puta.
U novom istraživanju fokusirali su se na istraživanje ravnine Mliječnog puta, gustog područja koje se prostire duž ekvatora naše galaksije.
U tom pothvatu korišteni su podaci koje je IceCube prikupio tijekom 10 godina rada. Riječ je o 60.000 detekcija, što je oko 30 puta više nego što su zabilježila prethodna skeniranja neutrina u galaktičkoj ravnini.
Kardum kaže da bi IceCubeu trebalo 75 godina da sakupi ovaj broj signala korištenjem stare metode.
„Drugim riječima, uvođenjem nove metode ušteđeno je 75 godina ili 500 milijuna dolara operativnih troškova“, dodaje.
Kako bi razlikovali neutrine od pozadinskog šuma, znanstvenici su u analizi podataka koristili tehnologiju umjetne inteligencije.
Kardum tumači da u IceCubeu postoje dvije vrste detektiranih događaja - sferični pljuskovi ('cascades') i putanje ('tracks').
„Pljuskovi ostavljaju potpise u obliku kugle unutar detektora, pa je smjer gibanja čestice vrlo teško odrediti. Nakon pažljivog izbora događaja koji bi odgovarali neutrinima, ostaje rekonstruirati podatke o dolazećim česticama, uključujući njihov smjer“, kaže mlada fizičarka.
Ističe da su u novoj studiji važnu ulogu odigrale neuralne mreže, koje su popularan alat umjetne inteligencije u rekonstrukcijama iz velikih količina podataka.
„Doduše, neuralne mreže imaju generalnu građu koja ne uzima u obzir zakone fizike, građu detektora i ostale zamršenosti poznate stručnjacima. S druge strane, fizičari znanje o problemu komponiraju u formule vjerojatnosti, ali njihovo računanje je računalno zahtjevno. Ovaj rad koristi hibridni model u kojem neuralne mreže aproksimiraju formule vjerojatnosti i tako fizičarima omogućuju računalnu snagu neuralne mreže i korištenje znanja u ovom području fizike. Također, IceCube strogo njeguje pravilo ‘slijepih’ analiza. Algoritam se ne smije primijeniti prije nego što je koncept dokazan na brojnim simuliranim slučajevima i podacima. Za ovaj rad simulirano je sto milijuna slučajeva na kojima je testiran algoritam, kako bi se utvrdilo da ni u milijun slučajeva rezultat ne može nastati zahvaljujući statističkim fluktuacijama“, kaže Kardum.
Značajnost ovakvog načina analize je 4.5 sigma, što znači da je vjerojatnost pogreške 0.00003%.
Zašto je ovo istraživanje važno?
Galaktička ravnina je jedan od glavnih izvora kozmičkih zraka čija svojstva, izvori i priroda još uvijek nisu razjašnjeni.
Kardum kaže da se novim istraživanjem otvaraju vrata neutrino teleskopima u istraživanju tih vrlo zanimljivih fenomena.
„Njihova očita prednost pred optičkim i gama teleskopima je u tome što neutrini nisu zasjenjeni nikakvim oblacima, prašinom, ni magnetskim poljima. Prvi put imamo potvrđen prošireni i poznat objekt koji je i bio cilj istraživanja, u usporedbi s prethodnim detekcijama u kojim bi se detekcije naknadno povezivale s poznatim, točkastim izvorima na nebu. Po meni, najveće postignuće je to što prvi put možemo vidjeti neki svima nama poznat objekt na nebu kroz leću masivnih čestica. Nebo se uvijek promatra kroz različite valne duljine svjetlosti, a sad prvi put imamo sliku Mliječnog puta kroz oči čestica, i to ne bilo kojih nego najneuhvatljivijih i najbizarnijih čestica u svemiru“, kaže naša sugovornica.
Smatra da je također vrlo važno to što novo otkriće pokazuje da velika otkrića u fizici ne moraju biti ograničena veličinom i osjetljivošću detektora.
„IceCube je inteligentnijim iskorištavanjem podataka i algoritama utrostručio svoju osjetljivost iako je korištena ista fizička tehnologija. Jako je uzbudljivo razmišljati o mogućim unapređenjima ostalih već postojećih detektora i teleskopa samo uz upotrebu umjetne inteligencije“, kaže Kardum.
Koja bi se istraživanja nakon ovoga mogla provoditi?
Snimke Mliječnog puta različitim metodama, uključujući neutrine
Prvi sljedeći korak u istraživanju kolaboracije IceCubea bit će razdvajanje neutrina koji dolaze iz Mliječnog puta u pojedinačne izvore.
Kardum kaže da ovo istraživanje ne može odgovoriti na pitanje je li izmjereni tok difuzan ili dolazi iz skupa točkastih izvora.
„Pretpostavlja se da je u pitanju kombinacija oboje. Ako gledamo grafiku razdiobe signala (gore), vide se razdvojene skupine većeg intenziteta neutrina. Ostaje nam provjeriti odgovaraju li one poznatim točkastim izvorima i govore li nam svojstva događaja nešto o njihovom izvoru. Ukratko, IceCubeov sljedeći korak je promatranje pojedinačnih izvora u Mliječnom putu, no ovo je svakako ogroman korak u analizi kozmičkih zraka“, zaključuje Kardum koja je studirala fiziku na PMF-u u Splitu, a diplomirala astrofiziku u Rijeci.