Για να πιάσουν νετρίνα στο βαθύ διάστημα, οι αστρονόμοι βάζουν παγίδες στον πάγο της Γροιλανδίας
Ψηλά στο στρώμα πάγου της Γροιλανδίας, οι ερευνητές ανοίγουν γεωτρήσεις αυτή την εβδομάδα. Αλλά δεν είναι επιστήμονες της γης που αναζητούν στοιχεία για το κλίμα του παρελθόντος. Είναι αστροφυσικοί σωματιδίων, που αναζητούν τους κοσμικούς επιταχυντές που είναι υπεύθυνοι για τα πιο ενεργητικά σωματίδια του σύμπαντος. Τοποθετώντας εκατοντάδες ραδιοφωνικές κεραίες στην επιφάνεια του πάγου και δεκάδες μέτρα κάτω από αυτήν, ελπίζουν να παγιδέψουν άπιαστα σωματίδια γνωστά ως νετρίνα σε υψηλότερες ενέργειες από ποτέ. "Είναι μια μηχανή ανακάλυψης, που αναζητά τα πρώτα νετρίνα σε αυτές τις ενέργειες", λέει ο Cosmin Deaconu από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, μιλώντας από το Summit Station της Γροιλανδίας.
Ανιχνευτές αλλού στη Γη καταγράφουν περιστασιακά την άφιξη κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας (UHE), ατομικών πυρήνων που πέφτουν στην ατμόσφαιρα με τόσο υψηλές ταχύτητες που ένα μόνο σωματίδιο μπορεί να συσκευάσει τόση ενέργεια όσο μια καλά χτυπημένη μπάλα του τένις. Οι ερευνητές θέλουν να εντοπίσουν τις πηγές τους, αλλά επειδή οι πυρήνες είναι φορτισμένοι, τα μαγνητικά πεδία στο διάστημα κάμπτουν τις διαδρομές τους, κρύβοντας την προέλευσή τους.
Εκεί μπαίνουν τα νετρίνα. Οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι καθώς οι κοσμικές ακτίνες UHE ξεκινούν από τις πηγές τους, γεννούν τα λεγόμενα κοσμογονικά νετρίνα καθώς συγκρούονται με φωτόνια από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το οποίο διαπερνά το σύμπαν. Επειδή δεν είναι φορτισμένα, τα νετρίνα ταξιδεύουν στη Γη ευθεία σαν βέλος. Η δυσκολία έρχεται στο να τα πιάσεις. Τα νετρίνα είναι διαβόητα απρόθυμα να αλληλεπιδράσουν με την ύλη, κάτι που επιτρέπει σε τρισεκατομμύρια να περνούν από μέσα σου κάθε δευτερόλεπτο χωρίς καμία ειδοποίηση. Τεράστιοι όγκοι υλικού πρέπει να παρακολουθούνται για να συλληφθούν μόνο μια χούφτα νετρίνων που συγκρούονται με άτομα.
Ο μεγαλύτερος τέτοιος ανιχνευτής είναι το IceCube Neutrino Observatory στην Ανταρκτική, το οποίο παρακολουθεί για λάμψεις φωτός από συγκρούσεις ατόμων νετρινοτόμων σε 1 κυβικό χιλιόμετρο πάγου κάτω από τον Νότιο Πόλο. Από το 2010, το IceCube έχει ανιχνεύσει πολλά νετρίνα στο βαθύ διάστημα, αλλά μόνο λίγα -με ψευδώνυμα όπως Bert, Ernie και Big Bird- που έχουν ενέργειες που πλησιάζουν τα 10 πεταηλεκτρονβολτ (PeV), την αναμενόμενη ενέργεια των κοσμογονικών νετρίνων, λέει η Olga Botner, μια Ice. μέλος της ομάδας στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα. "Για να ανιχνεύσουμε πολλά νετρίνα με ακόμη υψηλότερες ενέργειες σε εύλογο χρονικό διάστημα, πρέπει να παρακολουθούμε πολύ μεγαλύτερους όγκους πάγου."
Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να επωφεληθείτε από ένα άλλο σήμα που παράγεται από μια κρούση νετρίνου:έναν παλμό ραδιοκυμάτων. Επειδή τα κύματα ταξιδεύουν έως και 1 χιλιόμετρο μέσα στον πάγο, μια ευρέως αποστασιοποιημένη συστοιχία κεραιών ραδιοφώνου κοντά στην επιφάνεια μπορεί να παρακολουθεί πολύ μεγαλύτερο όγκο πάγου, με χαμηλότερο κόστος, από το IceCube, με τις μακριές σειρές ανιχνευτών φωτονίων βαθιά στον πάγο. Το Ραδιοφωνικό Παρατηρητήριο Νετρίνων Γροιλανδίας (RNO-G), με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών και το γερμανικό κέντρο επιταχυντών DESY, είναι η πρώτη συντονισμένη προσπάθεια δοκιμής της ιδέας. Όταν ολοκληρωθεί το 2023, θα έχει 35 σταθμούς, ο καθένας από τους οποίους θα περιλαμβάνει δύο δωδεκάδες κεραίες, που θα καλύπτουν συνολική έκταση 40 τετραγωνικών χιλιομέτρων. Η ομάδα εγκατέστησε τον πρώτο σταθμό την περασμένη εβδομάδα κοντά στο σταθμό Summit Station που διοικείται από τις ΗΠΑ, στην κορυφή του στρώματος πάγου της Γροιλανδίας, και έχει προχωρήσει στο δεύτερο. Το περιβάλλον είναι απομακρυσμένο και δεν συγχωρεί. "Αν δεν φέρατε κάτι, δεν μπορείτε να το στείλετε γρήγορα", λέει ο Deaconu. "Πρέπει να αρκεστείς με αυτό που έχεις."
Τα κοσμογονικά νετρίνα που η ομάδα ελπίζει να συλλάβει πιστεύεται ότι προέρχονται από βίαιους κοσμικούς κινητήρες. Οι πιο πιθανές πηγές ενέργειας είναι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που ρέουν με υλικό από τους γύρω γαλαξίες τους. Το IceCube έχει εντοπίσει δύο νετρίνα στο βαθύ διάστημα με ενέργειες χαμηλότερες από τον Bert, τον Ernie και το Big Bird σε γαλαξίες με τεράστιες μαύρες τρύπες - ένα σημάδι ότι βρίσκονται στο σωστό δρόμο. Αλλά απαιτούνται πολλά περισσότερα νετρίνα σε υψηλότερες ενέργειες για να επιβεβαιωθεί η σύνδεση.
Εκτός από τον εντοπισμό των πηγών των κοσμικών ακτίνων UHE, οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα νετρίνα θα δείξουν από τι αποτελούνται αυτά τα σωματίδια. Δύο κύρια όργανα που ανιχνεύουν τις κοσμικές ακτίνες UHE διαφέρουν ως προς τη σύνθεσή τους. Τα δεδομένα από τη Συστοιχία Τηλεσκοπίων στη Γιούτα υποδηλώνουν ότι είναι αποκλειστικά πρωτόνια, ενώ το Παρατηρητήριο Pierre Auger στην Αργεντινή προτείνει ότι βαρύτεροι πυρήνες αναμειγνύονται μεταξύ των πρωτονίων. Το ενεργειακό φάσμα των νετρίνων που γεννιούνται από αυτά τα σωματίδια θα πρέπει να διαφέρει ανάλογα με τη σύνθεσή τους—η οποία με τη σειρά της θα μπορούσε να προσφέρει ενδείξεις για το πώς και πού επιταχύνονται.
Το RNO-G μπορεί απλώς να πιάσει αρκετά νετρίνα για να αποκαλύψει αυτές τις ενδεικτικές ενεργειακές διαφορές, λέει η Anna Nelles του Πανεπιστημίου Friedrich Alexander Erlangen-Nürnberg, ένας από τους ηγέτες του έργου, που εκτιμά ότι το RNO-G μπορεί να πιάσει έως και τρία κοσμογονικά νετρίνα ετησίως. Αλλά, "Εάν είμαστε άτυχοι", λέει, οι ανιχνεύσεις μπορεί να είναι τόσο σπάνιες που η βαθμολογία μόνο ενός θα χρειαζόταν δεκάδες χιλιάδες χρόνια.
Ακόμα κι αν το RNO-G αποδειχθεί ότι είναι ένα παιχνίδι αναμονής, είναι επίσης μια δοκιμαστική βάση για μια πολύ μεγαλύτερη συστοιχία ραδιοφώνου, που εκτείνεται σε 500 τετραγωνικά χιλιόμετρα, που σχεδιάστηκε ως μέρος μιας αναβάθμισης του IceCube. Εάν υπάρχουν κοσμογονικά νετρίνα, η δεύτερη γενιά IceCube θα τα βρει και θα λύσει το ερώτημα τι είναι. «Θα μπορούσε να πλημμυρίσει με νετρίνα, 10 την ώρα», λέει ο Nelles. "Αλλά πρέπει να είμαστε τυχεροί."
