نوترینوهای پرانرژی در رصدخانه‌ی IceCube

نوترینوهای پرانرژی در رصدخانه‌ی IceCube

IceCube آشکارساز ذرات بنیادی است که در قطب جنوب واقع شده است. این آشکارساز برخوردهای ذره‌ای به اسم نوترینو را ثبت می‌کند. نوترینو یک ذره‌ی بنیادی کوچک است که جرم بسیار کمی دارد. نوترینوهایی که در منابع مختلف نجومی به وجود می‌آیند به نوترینوهای اخترفیزیکی معروفند و به ما کمک می‌کنند تا جهان غیرقابل دسترس را بهتر بشناسیم. IceCube در منابع اخترفیزیکی گوناگون به دنبال نوترینو می‌گردد؛ از جمله انفجار ستاره‌ها، انفجارهای پرتو گاما و پدیده‌های ویرانگر مربوط به سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی. تلسکوپ IceCube قابلیت رصد ماده تاریک را نیز دارد و هم‌چنین می‌تواند فرآیند‌های فیزیکی مربوط به پرتوهای کیهانی یا همان ذرات پرانرژی مشاهده شده در طبیعت را بررسی کند. (ماده تاریک و پرتوهای کیهانی را قبلا به ترتیب در دو مقاله مربوط به رصدخانه هاک و رصدخانه پیراوژه بررسی کرده‌ایم.)

شکل ۱: رصدخانه‌ی نوترینو IceCube از حجمی برابر با ۱ کیلومتر مکعب یخ شفاف قطب جنوب به عنوان بخشی از آشکارساز استفاده می‌کند. سطح زمین در بالای تصویر است که آزمایشگاه و ساختمان کاری IceCube در آن واقع شده است. عمق رصدخانه با طول برج ایفل نیز مقایسه شده است. در میان تصویر آرایه‌ی DeepCore نیز نمایش داده شده است که شامل تعداد بیشتری آشکارساز در فواصل کمتر است. آرایه‌ی دیگری به نام IceTop در بالای رصدخانه است که بهمن‌های هوایی را رصد می‌کند.

شکل ۱: رصدخانه‌ی نوترینو IceCube از حجمی برابر با ۱ کیلومتر مکعب یخ شفاف قطب جنوب به عنوان بخشی از آشکارساز استفاده می‌کند. سطح زمین در بالای تصویر است که آزمایشگاه و ساختمان کاری IceCube در آن واقع شده است. عمق رصدخانه با طول برج ایفل نیز مقایسه شده است. در میان تصویر آرایه‌ی DeepCore نیز نمایش داده شده است که شامل تعداد بیشتری آشکارساز در فواصل کمتر است. آرایه‌ی دیگری به نام IceTop در بالای رصدخانه است که بهمن‌های هوایی را رصد می‌کند.

از آن‌جایی که نوترینوها جرم بسیار کمی دارند، بسیار سخت با ماده واکنش می‌دهند و در نتیجه آشکارسازیشان دشوار است. IceCube برای این کار از حجم زیادی از یخ استفاده می‌کند. این یخ در قطب جنوب تامین می‌شود. نمای ترسیمی این رصدخانه در شکل ۱ نشان داده شده است. همان‌طور که با دیدن شکل نیز می‌توانید تخمین بزنید، IceCube در یک کیلومتر مکعب یخ قطبی واقع شده است. این رصدخانه ۵۱۶۰ آشکارساز دارد که به آن‌ها DOM۱ گفته می‌شود (به شکل ۲ نگاه کنید). DOMها اندازه‌ی یک توپ بسکتبالند و در عمق بین ۱۴۵۰ و ۲۴۵۰ متری واقع شده‌اند. هم‌چنین ۳۴۴ آشکارساز DOM دیگر در آرایه‌ی IceTop در بالای رصدخانه که هم‌سطح زمین است قرار دارد که برای رصد بهمن‌های هوایی تولید شده در جو توسط ذرات بنیادی گوناگون (همان پرتوهای کیهانی) به کار می‌رود. آرایه‌ی دیگری به اسم DeepCore در میان رصدخانه وجود دارد که در آن آشکارسازهای ‌DOM در فواصل کوچکتری واقع شده‌اند که امکان مطالعات دقیق‌تری را فراهم می‌آورد.

IceCube از سال ۲۰۱۰ که ساخت آن کامل شده است گرفتن داده را با تمام آشکارسازهایش آغاز کرده است. البته این رصدخانه از سال ۲۰۰۸ و در حال ساخته شدن نیز داده می‌گرفته است که در این مدت اطلاعات زیادی درباره‌ی این نوترینوها به دست آورد. در مقاله‌ی اخیر این گروه در مجموع ۳۷ نوترینو که در سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۳ رصد شده‌اند گزارش شده است. تحلیل‌ محققان این رصدخانه نشان می‌دهد که حداقل ۳۵ تا از این نوترینوها منشأ اخترفیزیکی دارند. انرژی این نوترینوها بین ۳۰ تا ۲۰۰۰ TeV۲ است. این برای اولین بار است که یک نوترینوی اخترفیزیکی با چنین انرژی بسیار بالایی مشاهده شده است.


شکل ۲: تصویر هنری از آشکارسازهای DOM که در عمق زمین و میان یخ‌های قطبی قرار دارند.

شکل ۲: تصویر هنری از آشکارسازهای DOM که در عمق زمین و میان یخ‌های قطبی قرار دارند.

شاید برایتان این سؤال پیش آمده باشد که این نوترینوها چگونه در منابع اخترفیزیکی تولید می‌شوند. برای پاسخ به این سؤال باید به فیزیک ذرات رجوع کنیم. نوترینوهای پر انرژی معمولا از واپاشی ذره‌ی پایون باردار در برخورد پرتوهای کیهانی با فوتون یا گاز به وجود می‌آیند. وقتی این پایون‌ها واپاشیده می‌شوند، نوترینوهایی با انرژی حدود ۵٪ انرژی هسته‌ی پرتو کیهانی (که عموما یک ذره‌ی باردار مثل پروتون یا هسته‌ای سنگین‌تر است) تولید می‌کنند. این نوترینوها سپس می‌توانند مسافت‌های طولانی‌ای را بدون هیچ واکنشی طی کنند. از آن‌جایی که این ذرات باردار نیستند، تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی نیز قرار نمی‌گیرند. این دو ویژگی، نوترینوها را شاهدهای منحصر به فردی برای شناخت مکانیسم‌های شتاب‌گیری پرتوهای کیهانی و جهان دوردست می‌کنند.

نوع دیگر نوترینوها، جوی گفته می‌شوند که مربوط به نوترینوهایی است که در برخورد پرتوهای کیهانی با مولکول‌های جو زمین به وجود می‌آیند. از آن‌جایی که IceCube به دنبال آشکارسازی نوترینوهای اخترفیزیکی است، نوترینوهای جوی باید از داده‌ها حذف شوند. خوشبختانه در انرژی‌های بالاتر از ۱۰۰ TeV شار نوترینوهای جوی به مقدار ۱ نوترینو در سال کاهش می‌یابند که کار را برای رصد نوترینوهای اخترفیزیکی راحت‌تر می‌کند. در IceCube نوترینوها با یخ واکنش انجام داده و ذرات بارداری تولید می‌کنند که خود نور چرنکوف تولید کرده و در نهایت این نور آشکار می‌شود. نور چرنکوف که یک نور آبی رنگ است، توسط ذرات بارداری که در ماده با سرعت بیشتر از سرعت نور در آن ماده حرکت می‌کنند، تولید می‌شود و صدها متر در یخ پخش می‌شود. برای تجسم بهتر این پدیده در IceCube، انیمیشن زیر را ببینید.

شکل ۴: جهت رسیدن نوترینوها در مختصات کهکشانی نمایش داده شده است. اعداد نمایش داده شده، شماره‌ی هر نوترینو است. نقشه‌ی رنگی نمایانگر آزمایش آماری برای شناخت منابع اخترفیزیکی است که هیچ خوشه‌‌‌ای از منابع با اهمیت آماری بالا یافت نشده است.

شکل ۳: جهت رسیدن نوترینوها در مختصات کهکشانی نمایش داده شده است. اعداد نمایش داده شده، شماره‌ی هر نوترینو است. نقشه‌ی رنگی نمایانگر آزمایش آماری برای شناخت منابع اخترفیزیکی است که هیچ خوشه‌‌‌ای از منابع با اهمیت آماری بالا یافت نشده است.

شکل ۳ نقشه‌ی آسمان ۳۵ نوترینوی رصدشده را نشان می‌دهد. این نقشه در مختصات کهکشانی است. محققان این مقاله علاوه بر گزارش نوترینوهای رصدشده، با استفاده از روش‌های آماری، سعی بر یافتن منابع اخترفیزیکی‌ای دارند که منشأ این ذرات باشد. هنوز منبع اخترفیزیکی خاصی به عنوان منشأ تولید این ذرات شناخته نشده است ولی مشاهدات بیشتر هم‌زمان با توسعه‌ی آشکارسازها می‌توانند سؤالات بسیاری را در این باره پاسخ دهند.


۱. DOM: Digital Optical Modules
۲. TeV: Tera-electron-volt: ۱۰ ۱۲ eV

عنوان اصلی مقاله:
Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data
نویسندگان:
IceCube Collaboration
این مقاله برای چاپ به نشریه PRL فرستاده شده است.
لینک مقاله‌ اصلی: http://arxiv.org/abs/1405.5303
گردآوری: آزاده کیوانی

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. در حال حاضر عضو تیم تحقیقاتی AMON و هم‌چنین عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube است. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بوده است. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

بازتاب‌ها

  1. مهم‌ترین رخدادهای نجومی سال ۲۰۱۴ | اسطرلاب (StarYab) ۶ بهمن, ۱۳۹۳، ۰۶:۵۸

    […] استفاده می‌کنند. در مورد نحوه‌ی کار این مقاله قبلا اینجا نوشته‌ایم. پژوهشگران این رصدخانه در سال ۲۰۱۴ با […]

  2. نوترینوها بیشتر چه «طعمی» دارند؟ | اسطرلاب (StarYab) ۲۴ فروردین, ۱۳۹۴، ۰۶:۱۵

    […] که در قطب شمال واقع شده است. درباره‌ی این رصدخانه قبلا این‌جا نوشته‌ایم. در یکی از مقالات اخیر این رصدخانه، […]

  3. کشف یک ابرنواختر نوع ۲ از طریق بررسی یک نوترینو | اسطرلاب (StarYab) ۲۵ خرداد, ۱۳۹۴، ۰۷:۰۵

    […] IceCube (مقاله‌های قبلی درباره‌ی این رصدخانه را این‌جا و این‌جا ببینید) پس از آشکارسازی نوترینوها، آن‌ها را […]

دیدگاه‌ها

  1. شایان
    شایان ۱۳ خرداد, ۱۳۹۳، ۰۷:۵۷

    خیلی جالب بود. یعنی آشکارسازی و تحلیل این ذرات به شناخت ما از مهبانگ هم کمک میکنه؟ من الآن هنوز کاربردهای این قضیه رو نفهمیدم.

    پاسخ به این دیدگاه
    • آزاده کیوانی
      آزاده کیوانی نویسنده ۱۳ خرداد, ۱۳۹۳، ۲۱:۱۱

      نوترینوهایی که تو ‌IceCube رصد می‌شوند به احتمال زیاد از منابع اخترفیزیکی می‌آن که بیشتر به ما کمک می‌کنند مکانیسم‌های شتاب‌گیری ذرات و اتفاق‌های مختلف رو تو این منابع کشف کنیم. مثلا یک هسته‌ی کهکشانی فعال که یک سیاهچاله در مرکزش هست، می‌تونه جت‌هایی از این ذرات رو به بیرون بفرسته که این ذرات می‌تونند اطلاعاتی راجع به این فرآیندهای به ما بدهند.

      یک سری نوترینو دیگه هم وجود دارند که احتمالا از همون اوایل یعنی مهبانگ باقی موندند. اگر این نوترینوها رو هم بتونیم آشکار کنیم که خیلی عالی می‌شه و می‌تونیم اطلاعات زیادی به دست بیاریم. ولی احتمالا نوترینوهایی که ما رصد می‌کنیم از این قبیل نیستند و فعلا اطلاعاتی راجع به مهبانگ به دست نداده‌اند.

      پاسخ به این دیدگاه
  2. رسول
    رسول ۲۰ فروردین, ۱۳۹۴، ۱۷:۲۱

    با تشکر
    یه جا میخوندم که نوترینوهایی با انرژی از مرتبه PeV رو آشکار ساز آیس کیوب آشکارسازی کرده. درموردشون ممکنه توضیح بدین؟ و اگه ممکنه یک سری اطلاعات از آخرین تحقیقات انجام شده میخواستم به همراه توضیح دقیق تر نحوه ی آشکارسازی نوترینو ها. این اطلاعات رو برای استفاده در یک ارائه ی کلاسی درمورد نوترینوها, در سطح کارشناسی ارشد میخواستم. متشکرم

    پاسخ به این دیدگاه
    • آزاده کیوانی
      آزاده کیوانی نویسنده ۲۴ فروردین, ۱۳۹۴، ۱۷:۲۱

      سلام،

      بله، کاملا درسته. در مقاله‌ی اخیر اسطرلاب (http://staryab.com/2015/04/12/icecube-neutrino-flavors/)، برای مثال در شکل ۱، پرانرژی‌ترین نوترینویی که در IceCube رصد شده است را می‌بینید که انرژی آن از مرتبه‌ی PeV است. مهم‌ترین تحقیقاتی که در IceCube انجام می‌شوند مربوط به مطالعه‌ی منابع تولیدکننده‌ی آن‌ها و شناخت انواعشون، شامل نوسانات نوترینوهاست. در این راستا تحلیل‌های گسترده‌ای با استفاده از روش‌های آماری بسیار دقیقی انجام می‌شوند که هر یک در یکی از مقالات اخیر رصدخانه منتشر شده‌اند.
      مقاله‌های اخیر IceCube رو می‌تونید از آدرس‌های زیر بخونید:
      http://arxiv.org/abs/1503.00598
      http://arxiv.org/abs/1502.03376
      http://arxiv.org/abs/1501.07798
      http://arxiv.org/abs/1412.6510
      اگر دقیق‌تر بگید که در کدوم زمینه، اطلاعات بیشتری می‌خواهید، بهتر می‌تونم کمک کنم.

      ممنون که اسطرلاب رو دنبال می‌کنید.

      پاسخ به این دیدگاه
  3. hossein
    hossein ۲۴ مهر, ۱۳۹۴، ۱۱:۲۸

    با سلام و ادب
    خیلی مطالب عالی بود بسیار از شما ممنون، یک سوال هم داشتم نوترینو ها را فقط از این طریق دیتکت می کنند؟

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*