شکل ۱. احتمال عبور نوترنیوها از زمین که در مدل استاندارد پیش‌بینی شده است که تابعی است از انرژی و زاویه‌ی رأس. خط‌چین سفید مسیر نوترینویی را نشان می‌دهد که از مرز هسته-گوشته‌ی زمین عبور کرده است.
نوترینوها که به ندرت با ماده واکنش انجام می‌دهند یا به عبارت دیگر سطح مقطع برخوردشان با ماده بسیار کوچک است، می‌توانند مسافت‌های زیادی را بدون هیچ‌گونه برخورد طی کنند. تاکنون مقدار سطح مقطع نوترینو تا انرژی برابر با ۳۷۰ GeV اندازه‌گیری شده است که حد قابل اندازه‌گیری پرتوهای نوترینو توسط شتاب‌دهنده‌ها در حال حاضر است. در این محدوده‌ی انرژی، سطح مقطع به طور خطی با انرژی افزایش می‌یابد. طبق مطالعات نظری نیز انتظار می‌رود که مقدار سطح مقطع برخورد نوترینو و هسته با انرژی افزایش یابد به طوری که در انرژی‌های بالاتر از ۴۰ TeV، سطح مقطع آن‌قدر بزرگ شود که نوترینوها هنگام عبور در زمین جذب شوند. در این مقاله، برای اولین بار سطح مقطع و جذب نوترینوها در زمین در این انرژی‌ها (محدوده‌ی TeV) اندازه‌گیری شده است. برای این مطالعه، نوترینوهایی که از نیم‌کره‌ی شمالی وارد جو زمین شده و در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب۱ واقع در قطب جنوب ثبت شده‌اند مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این مجموعه از نوترینوها قبل از آشکارسازی از بخشی از کره‌ی زمین عبور کرده‌اند (شکل بالای صفحه را ببینید). در این مطالعه تنها از یک سال از داده‌های رصدخانه استفاده شده است و تمام خطاهای آماری و سیستمی موجود در نظر گرفته شده و در مقاله‌ی اصلی با جزییات مطرح شده‌اند. یافته‌ی اصلی این مقاله این است که مقدار سطح مقطع برای نوترینوهایی با انرژی ۶.۳ تا ۹۸۰ TeV حدود ۱.۳ برابر مقدار پیش‌بینی‌شده‌ی مدل استاندارد فیزیک ذرات به دست آمده است. هم‌چنین در این مطالعه، برخلاف پیش‌بینی برخی مدل‌های نظری، افزایش قابل‌توجهی در مقدار سطح مقطع نوترینوها مشاهده نشده است.
شکل ۲. اندازه‌گیری‌های سطح مقطع نوترینو که بر انرژی نوترینو تقسیم شده و از آزمایش‌های شتاب‌دهنده‌ها و نتیجه‌ی این مقاله به دست آمده‌اند. خطوط آبی و سبز به ترتیب پیش‌بینی‌های مدل استاندارد برای نوترینوی میون و پادنوترینوی (ضدنوترینوی) میون هستند. خط قرمز مقدار مورد انتظار از ترکیب نوترینوی میون و پادنوترینوی میون در داده‌های آیس‌کیوب است. خط سیاه، نتیجه‌ی این مقاله را نشان می‌دهد. باند صورتی خطای ۱-سیگما، ترکیب خطای آماری و سیستمی است. تا حدود انرژی ۳ TeV، سطح مقطع به طور خطی با انرژی افزایش می‌یابد ولی پس از آن افزایش با شدت کم‌تری (انرژی نوترینو به توان ۰.۳) رخ می‌دهد.
در این مطالعه، علاوه بر نوترینوهای اخترفیزیکی که از خارج از جو زمین آمده‌اند، نوترینوهایی که در جو زمین تولید می‌شوند (در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با مولکول‌های جو) نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند. شکل بالای صفحه نمایی از جهت ورود نوترینوها از نیم‌کره‌ی شمالی و رسیدن آن‌ها به رصدخانه‌ی آیس‌کیوب (واقع در قطب جنوب) را نشان می‌دهد. نوترینوهای افقی که از زمین عبور نمی‌کنند، به عنوان مرجع برای جذب صفر در نظر گرفته می‌شوند و آن‌هایی که از مقدار بیشتری ماده در زمین عبور می‌کنند، مورد جذب بیشتری واقع شده‌اند. جذب نوترینو در زمین با اندازه‌گیری چگونگی تغییر طیف انرژی برحسب زاویه‌ی رأس مشاهده می‌شود. نوترینوهای پرانرژی که از اعماق زمین عبور می‌کنند، جذب می‌شوند در حالی که نوترینوهای کم انرژی جذب نمی‌شوند. با اندازه‌گیری تعداد نوترینوهایی که در هر بازه‌ی انرژی به آشکارساز آیس‌کیوب رسیده‌اند، می‌توان مقدار جذب زمین را محاسبه کرد. در انرژی برابر با ۴۰ TeV قطر زمین به عنوان واحد طول جذب در نظر گرفته می‌شود. شکل ۱ نمودار تغییر زاویه‌ی ورود نوترینو نسبت به محور زمین (زاویه‌ی رأس) را برحسب انرژی نوترینو نشان می‌دهد. رنگ‌ها نماینده‌ی احتمال جذب در زمین هستند که نسبت مستقیم با سطح مقطع دارد. در زوایای کوچک‌تر (یعنی نوترینوهای افقی‌تر) احتمال جذب کم‌تر است که به دلیل عبور از مقدار کم‌تری از ماده‌ی زمین مورد انتظار است.
شکل ۲، اندازه‌گیری سطح مقطع در این مقاله را با مقادیر قبلی شتاب‌دهنده‌ها مقایسه می‌کند. این اولین اندازه‌گیری سطح مقطع در انرژی‌های TeV است که همان‌طور که گفتیم حدود ۱.۳ برابر مقدار پیش‌بینی‌شده‌ی مدل استاندارد فیزیک ذرات به دست آمده است. اندازه‌گیری‌های آینده توسط آشکارساز نسل بعدی آیس‌کیوب، یعنی IceCube-Gen2 و هم‌چنین آشکارساز KM3NET قادر خواهند بود که سطح مقطع نوترینو-هسته را در انرژی‌های بالاتر نیز اندازه‌گیری کنند. هم‌چنین آزمایش‌های آینده که برمبنای تابش‌های رادیویی آبشارهای نوترینوها ساخته خواهند شد، قادر خواهند بود که نوترینوهای با انرژی بیش از ۱۰۱۹ الکترون‌ولت را بررسی کنند و اندازه‌گیری‌های سطح مقطع را به چنین محدوده‌های انرژی برسانند. این آزمایش‌ها می‌توانند حساسیت را به فرآیندهای فراتر از مدل استاندارد برسانند.
(۱) IceCube
عنوان اصلی مقاله: Measurement of the multi-TeV neutrino cross section with IceCube using Earth absorption
نویسندگان: IceCube Collaborations
این مقاله در نشریه‌ی Nature چاپ شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/abs/1711.08119
گردآوری: آزاده کیوانی
