남극 대륙에서 1.6km (1 마일)의 얼음 아래에 위치한 IceCube 실험을위한 표면 시설. IceCube는 유령 중성미자는 존재하지 않는다고 제안하지만, 새로운 실험에 따르면 그렇지 않습니다.
(이미지 : © IceCube Neutrino Observatory 제공)
남극 대륙의 얼음 황무지에는 거대한 입자 탐지기 인 IceCube Neutrino Observatory가 있습니다. 그러나 관측소의 대부분이 얼음 아래에 갇혀 있기 때문에 기기 표면을 검색하는 것이 어려울 것입니다. 국제 천문대는 물질과 거의 상호 작용하지 않는 무중력, 무 충전 입자 인 중성미자를 찾고 있습니다. 이제 그 관측은 천문학에서 가장 큰 수수께끼 중 하나를 해결하여 중성미자와 우주 광선의 기원에 관한 질문에 답할 수 있습니다.
그들 중 가장 큰
IceCube Neutrino Observatory는 남극 근처 1 입방 킬로미터를 커버합니다. 기기는 표면의 제곱 킬로미터를 덮고 깊이는 1,500 미터 (4,920 피트)까지 확장됩니다. 최초의 기가 톤 중성미자 검출기입니다.
IceCube의 사진은 종종 눈 덮인 표면에 건물을 보여 주지만 실제 작업은 아래에서 수행됩니다. 다목적 실험에는 스트링 위에 위치한 81 개의 스테이션으로 구성된 표면 배열 IceTop이 포함됩니다. IceTop은 IceCube의 교정 검출기 역할을하며 1 차 우주 광선의 공기 샤워와 플럭스 및 성분을 감지합니다.
밀도가 높은 내부 하위 탐지기 인 DeepCore는 IceCube 실험의 강국입니다. 각 IceTop 스테이션은 125 미터 간격으로 6 각형 그리드에 배치 된 디지털 광학 모듈 (DOM)에 부착 된 스트링으로 구성됩니다. 각 문자열에는 60 개의 농구 크기 DOM이 있습니다. 얼음 속 깊은 곳에서 IceCube는 태양, 은하계, 은하계에서 나오는 중성미자를 사냥 할 수 있습니다. 이 유령 입자는 지금까지 관찰 된 가장 높은 에너지 입자 인 우주 광선에 연결되어 있습니다.
[관련 : 뉴트리노를 소스로 추적 : 그림의 발견]
신비한 입자
우주 광선은 1912 년에 처음 발견되었습니다. 강력한 복사 파가 지구와 지속적으로 충돌하여 은하계의 모든 부분에서 흘러 나옵니다. 과학자들은 하전 입자가 우주에서 가장 폭력적이고 이해가 잘되지 않는 물체와 사건에서 형성되어야한다고 계산했다. 별, 초신성의 폭발적인 별 죽음은 우주 광선을 만드는 한 가지 방법을 제공합니다. 은하의 중심에있는 활동적인 블랙홀.
그러나 우주 광선은 하전 입자로 구성되어 있기 때문에 별과 자기가 지나가는 다른 물체의 자기장과 상호 작용합니다. 이 들판은 우주 광선의 경로를 뒤틀리고 이동하여 과학자가 다시 소스로 추적하는 것을 불가능하게합니다.
그곳에서 중성미자가 등장합니다. 우주 광선과 마찬가지로 저 질량 입자는 폭력을 통해 형성되는 것으로 생각됩니다. 그러나 중성미자는 전하가 없기 때문에 경로를 바꾸지 않고 자기장을지나 소스에서 직선으로 이동합니다.
IceCube의 웹 사이트에 따르면 "이러한 이유로 우주 광선 원에 대한 검색도 매우 높은 에너지 중성미자에 대한 검색이되었습니다."
그러나 중성미자를 좋은 메신저로 만드는 것과 동일한 특성으로 인해 탐지가 어렵다는 것을 의미합니다. 매초 약 1,000 억 개의 중성미자가 몸의 1 평방 인치를 통과합니다. 대부분은 태양에서 나오며 IceCube에 의해 식별 될만큼 에너지가 부족하지만 일부는 은하계 밖에서 생산 된 것 같습니다.
중성미자를 발견하려면 물이나 얼음과 같은 매우 투명한 물질을 사용해야합니다. 단일 중성미자가 원자 내부의 양성자 또는 중성자로 충돌하면, 생성 된 핵 반응은 2 차 입자를 생성하여 Cherenkov 방사선으로 알려진 청색광을 방출합니다.
IceCube 팀에 따르면“우리가 감지하는 중성미자는 중성미자가 생성되는 물체와 현상을 이해하는 데 도움이되는 지문과 같습니다.
가혹한 조건
남극은 우주 공간이 아닐 수도 있지만 자체적 인 문제가 있습니다. 엔지니어들은 2004 년에 IceCube에서 2010 년에 예정된 7 년 프로젝트로 건설을 시작했습니다. 건설은 매년 11 개월에서 2 월까지 남반구의 여름 동안 몇 달 동안 만 진행될 수있었습니다.
구멍을 뚫는 86 개의 구멍에는 특별한 유형의 드릴이 필요했습니다. 실제로 2 개가 필요합니다. 첫 번째는 약 50m (164 피트)까지 눈이 쌓여있는 Firn을 통해 전진했습니다. 그런 다음 분당 약 2 미터 (6.5 피트)의 속도로 2,450 미터 (8,038 피트 또는 1.5 마일)의 깊이까지 얼음을 통해 고압 온수 드릴이 녹았습니다.
IceCube에 따르면, 두 개의 드릴은 이틀에 한 번의 구멍 속도로 기기를 배치 할 준비가 된 거의 완벽한 수직 구멍을 일관되게 생산할 수있었습니다.
그런 다음 얼음이 얼기 전에 끈을 녹은 물에 빠르게 뿌려야했습니다. 냉동은 안정화하는 데 몇 주가 걸렸으며, 그 후에 기기는 손대지 않고 얼음에 영구적으로 얼려 수리 할 수 없었습니다. 현재 작동하지 않는 5,500 개 센서 중 100 개 미만으로 계측기의 고장률이 매우 느 렸습니다.
IceCube는 다른 줄이 배치되는 동안에도 처음부터 관찰을 시작했습니다.
Halzen에 따르면,이 프로젝트가 처음 시작되었을 때, 연구원들은 얼음을 통해 빛이 얼마나 멀리 이동할지 불분명했다. 그 정보가 잘 확립되면 협력은 IceCube-Gen2를 향한 노력입니다. 업그레이드 된 관측소는 약 80 개의 더 많은 감지기 줄을 추가하는 반면, 얼음의 특성을 이해하면 연구원들이 센서를 원래의 보존 적 추정치보다 더 넓게 배치 할 수 있습니다. IceCube-Gen2는 거의 동일한 비용으로 전망대 크기의 두 배가되어야합니다.
놀라운 과학
IceCube는 중성미자를 완성하기 전에 사냥을 시작하여 여러 흥미로운 과학적 결과를 만들어 냈습니다.
2010 년 5 월에서 2012 년 5 월 사이에 IceCube는 28 개의 매우 높은 에너지 입자를 관찰했습니다. Halzen은 이러한 극한 상황을 관찰 할 수있는 탐지기의 능력이 탐지기의 완성에 있다고 생각했습니다.
Halzen은 성명에서“이것은 우리 태양계 외부에서 나오는 매우 높은 에너지 중성미자가 1987 년에 관측 된 것보다 백만 배 이상 큰 에너지를 가진 최초의 지표이다. "우리가 찾고있는 것을 마침내 보게되어 기쁘다. 이것은 새로운 시대의 천문학의 새벽이다."
2012 년 4 월, 어린이 텔레비전 쇼 "세서미 스트리트 (Sesame Street)"에서 등장한 한 쌍의 고 에너지 중성미자가 Bert와 Ernie라는 별명이 붙었습니다. 1 petaelectronvolt (PeV) 이상의 에너지를 가진이 쌍은 1987 년 초신성 이후 태양계 외부에서 최초로 감지 된 중성미자였다.
이 연구에 참여하지 않은 독일 얼 랑겐-뉘른베르크 대학교 (University of Erlangen-Nuremberg)의 입자 물리학자인 울리 카츠 (Uli Katz)는“이것은 중요한 돌파구이다. Katz는 Space.com에 "우주 입자 물리학에서 절대적으로 중요한 발견 중 하나라고 생각한다"고 말했다.
이러한 관찰 결과 IceCube는 Physics World 2013 올해의 혁신을 수상했습니다.
또 다른 주요 대가는 2012 년 12 월 4 일에 천문대가 과학자들이 "세서미 스트리트 (Sesame Street)"에서 빅 버드 (Big Bird)라고 불리는 사건을 감지했을 때 발생했습니다. Big Bird는 치과 용 X-ray의 에너지보다 백만 백만배 이상 2 조 백만 전자 볼트를 초과하는 에너지를 가진 중성미자였으며, 백만 분의 1 미만의 전자 질량을 가진 단일 입자로 포장되었습니다. 당시에는 가장 높은 에너지 중성미자였으며; 2018 년 기준으로 여전히 2 위입니다.
NASA의 Fermi Gamma-ray 우주 망원경 덕분에 과학자들은 Big Bird를 PKS B1424-418로 알려진 신기한 폭발로 폭발했습니다. Blazars는 은하의 중심에 거대한 블랙홀이 있습니다. 블랙홀이 재료를 움켜 쥐면서, 일부 재료는 은하계의 별보다 더 많은 에너지를 전달하는 제트로 편향됩니다. 제트기는 물질을 가속시켜 중성미자와 일부 우주 광선을 생성하는 원자 조각을 만듭니다.
2012 년 여름부터 블라 자르는 분화 전 평균보다 감마선에서 15 배에서 30 배 더 밝았습니다. 남쪽 하늘에서 거의 100 개의 활성 은하를 일상적으로 모니터링하는 TANAMI라는 장기 관측 프로그램은 2011 년과 2013 년 사이에이 은하 제트기의 핵심이 4 번 밝아 졌다고 밝혔다.
2016 년 성명에서 독일 맥스 플랑크 (Max Planck) 무선 천문 학회 (MPIfR)의 에두아르도 로스 (Eduardo Ros)는 "프로그램 수명 동안 TANAMI가 관측 한 다른 어떤 은하도 그 극적인 변화를 보이지 않았다"고 말했다. 팀은 두 이벤트가 연결되어 있다고 계산했습니다.
뷔르츠부르크 대학교 천체 물리학 교수 인 마티아스 카 들러 (Matthias Kadler)는“모든 관측을 고려할 때,이 대변인은 빅 버드 중성미자를 발사 할 수있는 수단, 동기 및 기회를 가졌던 것으로 보인다”고 말했다. 독일."
IceCube는 2018 년 7 월 처음으로 중성미자를 추적 해 소스 블라 자까지 추적했다고 발표했습니다. 2017 년 9 월, 강력한 중성미자 후보를 탐지 한 후 몇 분 안에 전 세계 과학자들에게 방송되는 새로 설치된 경보 시스템 덕분에 연구원들은 새로운 신호가 발생한 방향으로 망원경을 빠르게 돌릴 수있었습니다. Fermi는 하늘의 같은 부분에 TXS-0506 + 056으로 알려진 활발한 불쾌한 존재가 있음을 연구원들에게 경고했습니다. 새로운 관측 결과에 따르면, 블라 자르가 타 오르고있어 평소보다 더 많은 에너지가 방출됩니다.
대부분의 경우 TXS는 전형적인 끔찍한 것입니다. 페르미가 감지 한 가장 밝은 100 가지 중 하나입니다. 그러나 99 명의 다른 사람들도 밝지 만 IceCube를 향해 중성미자를 던지지 않았습니다. 최근 몇 달 동안 TXS는 이전보다 백 배나 더 밝아지고 밝아지고 어두워졌습니다.
"IceCube에서 TXS 0506 + 056으로 다시 탐지 한 고 에너지 중성미자를 추적하면 우리가 처음으로 특정 물체를 이러한 고 에너지 중성미자의 가능한 출처로 식별 할 수있게되었습니다."그레고리 시바 코프 (Gregory Sivakoff) 캐나다 앨버타주의 성명서에서 밝혔다.
IceCube는 아직 끝나지 않았습니다. 새로운 경보 시스템은 미래에 천문학 자들이 계속해서 발을 들일 수 있도록합니다. 관측소의 수명은 20 년으로, 남극 관측소에서 적어도 10 년 동안 놀라운 발견이 이루어집니다.
