Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Aktywne wykrywanie neutrin. Nowy teleskop zajrzy w miejsca niedostępne obecnym urządzeniom

Recommended Posts

Grupa amerykańskich fizyków udowodniła, że możliwe jest zarejestrowanie echa pochodzącego z fali radaru odbitej od kaskady wysokoenergetycznych cząstek. Odkrycie to może doprowadzić do skonstruowania nowego teleskopu wykrywającego neutrina o energiach, które poza zasięgiem obecnie stosowanych metod badawczych.

Jednym z najbardziej niezwykłych instrumentów naukowych jest teleskop IceCube. W jego skład wchodzą dziesiątki kilometrów lin z umocowanymi do nich fotopowielaczami. Urządzenie wykrywa promieniowanie Czerenkowa pojawiające się, gdy kaskada naładowanych cząstek, pojawiająca się podczas podróży neutrin przez ziemską atmosferę, wchodzi w interakcje z lodem. IceCube jest w stanie wykrywać neutrina o energiach do 10 PeV (1016 eV). Ograniczenie to wynika z faktu, że w zakresie fali widzialnej promieniowanie Czerenkowa jest mocno osłabiane przez lód. Taki sygnał może przebyć w lodzie najwyżej 200 metrów.

Inaczej działa ANITA, czyli wykrywacz neutrin, który za pomocą balonu unosi się nad Antarktydą. To właśnie ANITA zarejestrowała tajemnicze sygnały, których dotychczas fizycy nie potrafią wyjaśnić. ANITA ma z kolei inny problem niż IceCube. Nie potrafi wykryć neutrin o energiach mniejszych niż 100 PeV.

Teraz Steven Prohira z Ohio State University wraz z kolegami wykazali, że możliwe jest aktywne wykrywanie neutrin. Można to zrobić poprzez rejestrację ech z fal emitowanych przez radar. Technika ta wykorzystuje fakt, że kaskada cząstek poruszających się przez materiał z prędkością bliską prędkości światła wyrzuca elektrony z atomów tego materiału. Przez krótką chwilę, zanim elektrony te zostaną powtórnie zaabsorbowane, możliwe jest wprowadzenie ich w oscylacje za pomocą zewnętrznych fal radiowych. Oscylacje takie generują własne fale radiowe, „echa” fal, które je wywołały. Olbrzymią zaletą tej techniki jest fakt, że działa ona niezależnie od energii badanych cząstek.

Naukowcy wykorzystali podczas swoich badań akcelerator ze SLAC National Accelerator Laboratory. Użyli 4-metrowego kawałka plastiku, który miał symulować antarktyczny lód i potraktowali go wiązką miliarda elektronów o energii około 1010 eV każdy. Okazało się, że antena, skierowana na plastik była w stanie zarejestrować sygnał trwający około 10 ns. Zgadzał się on z teoretycznymi przewidywaniami, zatem naukowcy uznali, że zarejestrowany sygnał to echo wywołane jonizacją wewnątrz plastiku.

Teraz Prohira i jego zespół planują przeprowadzenie eksperymentów na Antarktydzie. Chcą tam postawić eksperymentalny radar, który miałby wykrywać echa pochodzące z interakcji promieniowania kosmicznego z lodem. Jeśli ich pomysł uzyska finansowanie, taki nowatorskich radar wykrywający neutrina mógłby powstać w ciągu kilku lat. Później zaś chcieliby przed końcem dekady zbudować na Antarktydzie pełnowymiarowe obserwatorium. Najpierw chcemy udowodnić, że ta technika działa, a później chcemy wybudować pełnowymiarowy teleskop, mówi Prohira.

Uczeni stwierdzają, że wielką zaletą takiego obserwatorium byłaby jego prostota. Prohira ocenia, że jego zbudowanie kosztowałoby kilka milinów dolarów. Na IceCube wydano 275 milionów USD.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      O teleskopie Hubble'a słyszeli chyba wszyscy. Nic w tym dziwnego, gdyż jest to jeden z najważniejszych instrumentów naukowych wykorzystywanych obecnie przez człowieka. Niewiele osób jednak wie, że teleskopy wcale nie muszą spoglądać w niebo. Na Antarktydzie powstaje właśnie niezwykłe urządzenie. Teleskop IceCube (Kostka Lodu), jest budowany wewnątrz lodowej czapy pokrywającej południowy biegun naszej planety. Jego zadaniem jest wykrywanie neutrin.
      Neutrino
      Neutrino to jedna z cząstek elementarnych. Należy ona do grupy leptonów i wyróżniamy trzy typy neutrin: taonowe, mionowe oraz elektronowe. Neutrino ma zerowy ładunek elektryczny i niemal nie ma masy. Cząstka jest tak przenikliwa, że na przykład planety nie stanowią dla niej żadnej przeszkody. W każdej chwili przez nasze ciała, przez budynki i przez samą Ziemię przelatuje niezliczona liczba neutrin. Ich głównym źródłem jest oddziaływanie promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery. Neutrina emitują też np. gwiazdy i reaktory atomowe.
      Istnienie neutrin zostało przewidziane teoretycznie w 1930 roku przez Wolfganga Pauliego, ale musiało minąć aż 26 lat zanim eksperymentalnie udowodniono, że Pauli się nie mylił.

      Cząsteczki te są bardzo łakomym kąskiem dla astronomów. Podróżują z prędkością światła od źródeł promieniowania, a na swej drodze nie napotykają niemal żadnych przeszkód. Neutrina powstają np. we wnętrzach gwiazd i bez najmniejszych problemów przemierzają przestrzeń kosmiczną. Badanie neutrin pozwala więc naukowcom wysnuć wnioski na temat samych źródeł, z których zostały wyemitowane.
      Z tego, co wiemy obecnie, zdecydowana większość istniejących neutrin pochodzi z samych początków wszechświata, powstały w momencie Wielkiego Wybuchu.
      IceCube
      Neutrina badane są od kilkudziesięciu lat i od lat naukowcy opracowują nowe metody ich obserwacji. Teoretycy od dawna uważają, że do obserwacji neutrin pochodzących z bardzo odległych źródeł potrzebny jest instrument długości co najmniej kilometra. Takim instrumentem ma być IceCube. Na miejsce jego budowy wybrano Antarktydę, gdyż jej lody są wyjątkowo czyste i wolne od źródeł promieniowania. Nic nie powinno więc zakłócać pracy niezwykłego teleskopu.
      Będzie się on składał z co najmniej 4200 modułów optycznych zawieszonych na 70 pionowych linach, a te z kolei będą umieszczone na głębokości od 1450 do 2450 metrów pod powierzchnią lodu. Na samej powierzchni znajdzie się kopuła zbudowana z co najmniej 280 modułów optycznych. Powierzchnia IceCube'a będzie wynosiła około 1 kilometra kwadratowego. Jak łatwo obliczyć, objętość tego niezwykłego instrumentu naukowego to około 2,5 kilometra sześciennego. Po ukończeniu prac IceCube będzie działał przez 20 lat.

      Uczeni mają nadzieję, że odpowie on na tak fundamentalne pytania, jak warunki fizyczne rozbłysków gamma czy też pozwoli zbadać naturę fotonów pochodzących z pozostałości po supernowej w gwiazdozbiorze Kraba oraz z nieodległych galaktyk. Być może IceCube pozwoli również potwierdzić teorię strun.
      Obecnie IceCube składa się z 40 lin. Do stycznia 2009 roku przybędzie 9 kolejnych. Rok później mają być już 63 liny, a w marcu 2010 roku urządzenie osiągnie pełną gotowość operacyjną. We wrześniu 2010 roku zakończony zostanie główny etap budowy IceCube'a.
      Obecnie budżet projektu wynosi 271 milionów dolarów. W pracach bierze udział około 200 naukowców i 29 instytucji.
      O skali przedsięwzięcia niech świadczą liczby. Wywiercenie w lodzie każdego z 70 otworów o średniej głębokości 2454 metrów trwa średnio 48 godzin (pierwszy otwór wiercono przez 57 godzin). W tym czasie usuwane jest 757 metrów sześciennych lodu i zużyciu ulega około 2400 litrów paliwa. W każdym otworze umieszczana jest lina. Operacja ta trwa 11 godzin. Praca nie jest łatwa, gdyż Antarktyda to najzimniejsze, najbardziej wietrzne i najbardziej suche miejsce na Ziemi. W niektórych jej punktach nie padało od tysięcy lat, a średnie temperatury na Biegunie Południowym wynoszą latem około -37 stopni Celsjusza. Rekord ciepła na Biegunie to -13,8 stopnia Celsjusza. Rekord zimna na Antarktydzie to -89 stopni Celsjusza.
      Najsilniejsze podmuchy wiatru zanotowano w lipcu 1972 roku. Naukowcy z francuskiej bazy Dumont d'Urville poinformowali wówczas, że wiatr wial z prędkością 320 kilometrów na godzinę. Na Antarktydzie znajduje się też największa pustynia na świecie, a rekordowy zanotowany spadek temperatury wyniósł 36 stopni w ciągu 12 minut.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Technicy z Fermi National Accelerator Laboratory ukończyli prototyp specjalnego nadprzewodzącego kriomodułu, jedynego takiego urządzenia na świecie. Projekt PIP-II, w którym udział biorą też polscy naukowcy, ma na celu zbudowanie najpotężniejszego na świecie źródła neutrin. Zainwestowała w nie również Polska.
      HB650 będzie najdłuższym i największym kriomodułem nowego akceleratora liniowego (linac). Wraz z trzema innymi będzie przyspieszał protony do 80% prędkości światła. Z linac protony trafią do dwóch kolejnych akceleratorów, tam zostaną dodatkowo przyspieszone i zamienione w strumień neutrin. Neturina te zostaną wysłane w 1300-kilometrową podróż przez skorupę ziemską, aż trafią do Deep Underground Neutrino Experiment and the Long Baseline Neutrino Facility w Lead w Dakocie Południowej.
      Prace nad nowatorskim kriomodułem rozpoczęły się w 2018 roku, w 2020 jego projekt został ostatecznie zatwierdzony i rozpoczęła się produkcja podzespołów. W styczniu 2022 roku w Fermilab technicy zaczęli montować kriomoduł. HB650 to 10-metrowy cylinder o masie około 12,5 tony. Wewnątrz znajduje się szereg wnęk wyglądających jak połączone ze sobą puszki po napojach. Wnęki wykonano z nadprzewodzącego niobu, który podczas pracy będzie utrzymywany w temperaturze 2 kelwinów. W tak niskiej temperaturze niob staje się nadprzewodnikiem, co pozwala efektywnie przyspieszyć protony.
      Żeby osiągnąć tak niską temperaturę wnęki będą zanurzone w ciekłym helu, nad którym znajdzie wiele warstw izolujących, w tym MLI, aluminium oraz warstwa próżni. Całość zamknięta jest w stalowej komorze próżniowej, która zabezpiecza wnęki przed wpływem pola magnetycznego Ziemi.
      Linac będzie przyspieszał protony korzystając z pola elektrycznego o częstotliwości 650 MHz. Wnętrze wnęk musiało zostać utrzymane w niezwykle wysokiej czystości, gdyż po złożeniu urządzenia nie ma możliwości ich czyszczenia, a najmniejsze nawet zanieczyszczenie zakłóciłoby pracę akceleratora. Czystość musiała być tak wysoka, że nie wystarczyło, iż całość prac przeprowadzano w cleanroomie. Wszelkie przedmioty znajdujące się w cleanroomie oraz stosowane procedury były projektowane z myślą o utrzymaniu jak najwyższej czystości. Pracownicy nie mogli na przykład poruszać się zbyt szybko, by nie wzbijać w powietrze ewentualnych zanieczyszczeń.
      Obecnie trwa schładzanie kriomodułu do temperatury 2 kelwinów. Naukowcy sprawdzają, czy całość wytrzyma. Nie bez powodu jest to prototyp. Chcemy dzięki niemu zidentyfikować wszelkie problemy, zobaczyć co do siebie nie pasuje, co nie działa, mówi Saravan Chandrasekaran z Fermilab. Po zakończeniu chłodzenia urządzenie zostanie poddane... testowi transportu. Kriomoduł trafi do Wielkiej Brytanii, a gdy wróci do Fermilab zostaną przeprowadzone testy, by upewnić się, że wszystko nadal działa.
      Gdy HB650 przejdzie pomyślnie wszystkie testy, rozpocznie się budowa właściwego kriomodułu. Wezmą w nim udział partnerzy projektu PIP-II (Photon Improvement Plan-II) z Polski, Indii, Francji, Włoch, Wielkiej Brytanii i USA.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Autorzy nowych badań przeprowadzonych przez NASA wykazali, że utrata lodu szelfowego w Antarktyce jest dwukrotnie większa niż pokazywały dotychczasowe dane. W ramach badań powstała m.in. pierwsza mapa cielenia się lodowców szelfowych.
      Czynnikiem, który w największym stopniu wpływa na niepewność przewidywania wzrostu poziomu oceanów jest zwiększanie się tempa utraty lodu w Antarktyce. Naukowcy z Jet Propulsion Laboratory opublikowali właśnie dwa badania dotyczące ubywania lodu w Antarktyce w ostatnich dekadach.
      Autorzy jednego z badań, które opisano na łamach Nature, stworzyli mapę cielenia się antarktycznych lodowców szelfowych w ciągu ostatnich 25 lat. Cielenie się lodowców szelfowych to nic innego, jak odłamywanie się fragmentów lodowca, tworzących następnie góry lodowe. Autorzy mapy zauważyli, że tempo cielenia się było szybsze, niż tempo przyrastania lodu w lodowcach.
      Od 1997 roku antarktyczne lodowce szelfowe utraciły 12 bilionów ton lodu. Dotychczas sądzono, że strata ta jest dwukrotnie mniejsza. Utrata lodu osłabiła lodowce szelfowe i spowodowała, że lądolód szybciej spływa do oceanu.
      Autorzy drugich badań, opublikowanych w Earth System Science Data, szczegółowo pokazali jak woda roztapiająca lód Antarktyki od spodu, wdziera się coraz bardziej w głąb pokrywy lodowej. W niektórych miejscach Antarktyki Zachodniej jest ona już dwukrotnie dalej od krawędzi niż jeszcze dekadę temu. Oba powyższe badania dają najbardziej szczegółowy obraz zmian zachodzących na Antarktyce.
      Antarktyka kruszy się na brzegach. A gdy lodowce szelfowe ulegają osłabieniu i rozpadnięciu, potężne lodowce na lądzie stałym spływają coraz szybciej i przyspieszają wzrost poziomu oceanów, mówi Chad Greene, lider zespołu badającego cielenie się lodowców szelfowych. Musimy pamiętać, że lodowce szelfowe są najważniejszym czynnikiem wpływającym na stabilność lądolodu Antarktydy. Są też jednak czynnikiem najbardziej wrażliwym, gdyż są podmywane przez wody oceaniczne.
      Spływające z Antarktydy lodowce tworzą potężne lodowce szelfowe o grubości do 3 kilometrów i szerokości 800 kilometrów. Działają one jak bufory, utrudniające spływanie lądolodu. Gdy cykl utraty masy (cielenia się) i jej przyrostu równoważy się, lodowce szelfowe są stabilne, ich wielkość w dłuższym terminie jest stała i spełniają swoją rolę bufora. Jednak w ostatnich dekadach ocieplające się wody oceaniczne zaczęły destabilizować lodowce szelfowe Antarktyki, coraz bardziej podmywając je i roztapiając. Lodowce stają się więc cieńsze i słabsze.
      Od kilku dekad dokonywane są regularne satelitarne pomiary grubości lodowców szelfowych Antarktyki, jednak dane te trudno interpretować. Wyobraźmy sobie, że oglądamy zdjęcia satelitarne i próbujemy na nich odróżnić od siebie białą górę lodową, biały lodowiec szelfowy, biały lód pływający i białą chmurę. To zawsze było trudne zadanie. Teraz jednak dysponujemy wystarczająco dużą ilością danych z różnych czujników satelitarnych, dzięki którym możemy powiedzieć, jak w ostatnich latach zmieniało się wybrzeże Antarktyki, mówi Greene.
      Uczony wraz ze swoim zespołem połączył zbierane od 1997 roku dane z czujników pracujących w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i z radarów. Na tej podstawie powstała mapa pokazująca linię brzegową lodowców szelfowych. Jej twórcy stwierdzili, że cielenie się lodowców szelfowych daleko przewyższa przyrosty ich masy, a utrata lodu jest tak duża, że jest mało prawdopodobne, by do końca wieku lodowce szelfowe mogły odzyskać swój zasięg sprzed roku 2000. Jest wręcz przeciwnie, należy spodziewać się dalszych strat, a w ciągu najbliższych 10-20 lat może dojść do wielkich epizodów cielenia się.
      Z kolei autorzy drugich badań wykorzystali niemal 3 miliardy rekordów z siedmiu różnych rodzajów instrumentów, by stworzyć najbardziej szczegółową bazę danych zmian wysokości lodowców. Użyli przy  przy tym danych z pomiarów radarowych i laserowych, które pozwalają na mierzenie z dokładnością do centymetrów. Pomiary te pokazały, jak długoterminowe trendy klimatyczne oraz doroczne zmiany pogodowe wpływają na lód. Pokazały nawet, jak zmienia się wysokość lodowców gdy regularnie napełniają się i opróżniają podlodowe jeziora położone wiele kilometrów pod powierzchnią lodu. Takie subtelne zmiany, w połączeniu z lepszym rozumieniem długoterminowych trendów, pozwoli nam lepiej zrozumieć procesy, wpływające na utratę masy lodu, a to z kolei umożliwi lepsze przewidywanie przyszłych zmian poziomu oceanów, stwierdził lider grupy badawczej, Johan Nilsson.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przez 9 lat pracy instrumenty Daya Bay Reactor Neutrino Experiment zarejestrowały 5,5 miliona neutrin. Teraz międzynarodowy zespół pracujący przy eksperymencie poinformował o pierwszych wynikach uzyskanych na podstawie całego zbioru danych. A najważniejszym z nich są najbardziej precyzyjne pomiary theta 13 (θ13), kluczowego parametru potrzebnego nam do zrozumienia oscylacji neutrin.
      Neutrina to cząstki subatomowe, które wypełniają cały wszechświat, a które niezwykle trudno zauważyć. Co sekundę przez nasze ciała przelatują miliardy neutrin. Neutrino może przelecieć przez ścianę ołowiu o grubości roku świetlnego, nie zderzając się przy tym z żadnym atomem.
      Jednym z cech charakterystycznych neutrin jest oscylacja, czyli zmiana pomiędzy trzema zapachami: neutrino minowym, taonowym i elektronowym. Day Bay Reactor Neutrino Experiment zaprojektowano do badania parametrów określających, a jakim prawdopodobieństwem zajdzie oscylacja. Wśród parametrów tych znajdują się kąty mieszania. Gdy projektowano Daya Bay w rok 2007 nieznany pozostawał jeden z kątów mieszania, θ13. Dlatego właśnie eksperyment został zbudowany tak, by z bezprecedensową dokładnością określił ten właśnie parametr.
      Day Bay Reactor Neutrino Experiment znajduje się w Guangdongu w Chinach. Składa się z wielkich cylindrycznych wykrywaczy cząstek zanurzonych w wodzie, a znajdujących się w trzech podziemnych grotach. Osiem detektorów odpowiedzialnych jest za wykrywanie sygnałów z antyneutrin pochodzących z pobliskich reaktorów atomowych.
      Daya Bay projekt międzynarodowy i pierwszy tego typu wielki wspólny projekt fizyczny Chin i USA. Biorą w nich udział liczne instytucje naukowe, na czele których z chińskiej strony stoi Instytut Fizyki Wysokich Energii Chińskiej Akademii Nauk, a ze strony amerykańskiej Lawrence Berkeley National Laboratory oraz Brookhaven National Laboratory.
      W każdej z podziemnych grot Daya Bay wykrywa antyneutrina elektronowe. Dwie groty znajdują się w blisko reaktorów atomowych, a trzecia jest od nich sporo oddalona, co daje neutrinom czas na oscylacje. Naukowcy, porównując liczbę antyneutrin elektronowych, które dotarły do wykrywaczy położonych bliżej i dalej od reaktorów, mogą wyliczyć ile z nich zmieniło zapach, a z tego wyprowadzają wartość theta 13.
      W 2012 roku naukowcy pracujący przy Daya Bay ogłosili wyniki pierwszych powszechnie przyjętych pomiarów theta13. Od tego czasu ciągle uściślają swoje pomiary. W grudniu 2020 roku, po 9 latach pracy eksperymentu, zakończono zbieranie danych i zajęto się ich analizą. Okazało się, że Daya Bay znacznie przekroczył oczekiwania. Udało się bowiem zmierzyć wartość θ13 z 2,5-krotnie większą dokładnością, niż przyjęto w założeniach projektu. Żaden obecnie działający i planowany eksperyment nie powinien osiągnąć tak dużej precyzji.
      Liczne zespoły analityków wykonały benedyktyńską pracę szczegółowo analizując cały zestaw danych, biorąc pod uwagę zmiany wydajności czujników w czasie tych 9 lat pracy. Dane te posłużyły nam nie tylko do wyodrębnienia z nich antyneutrin, ale również do udoskonalenia naszej wiedzy o szumie w tle. To pozwoliło nam osiągnąć niezwykłą precyzję, mówi rzecznik prasowy eksperymenty, Jun Cao z Instytutu Fizyki Wysokich Energii.
      Dzięki precyzyjnym pomiarom θ13 naukowcy będą mogli łatwiej badań inne parametry neutrin oraz stworzyć dokładniejsze modele cząstek subatomowych i ich wzajemnego oddziaływania.
      Lepsze poznanie właściwości i oddziaływania antyneutrin może rzucić wiele światła na kwestię nierównowagi pomiędzy materią i antymaterią. Obecnie uważa się, że podczas Wielkiego Wybuchu powstało tyle samo materii i antymaterii. Jeśli jednak tak by się stało, to powinno dojść do całkowitej anihilacji, po której pozostałoby tylko światło. Musi więc istnieć coś, co spowodowało, że współczesny wszechświat składa się z materii. Być może tym czymś są jakieś różnice pomiędzy neutrinami a antyneutrinami. Nigdy nie wykryliśmy żadnych różnic pomiędzy cząstkami i antycząstkami w przypadku leptonów, do których należy neutrino. Znaleźliśmy jedynie różnice między kwarkami i antykwarkami. Jednak różnice te nie wystarczą, by wyjaśnić, dlaczego materia ma we wszechświecie taką przewagę. Może odpowiedź ukrywa się w neutrinach, mówi drugi z rzeczników eksperymentu, Kam-Biu Luk z Berkeley.
      Eksperymenty przyszłej generacji, takie jak DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) będą mogły wykorzystać pomiary wykonane przez Daya Bay do precyzyjnego porównania właściwości neutrin i antyneutrin. DUNE będzie najbardziej precyzyjnym wykrywaczem neutrin na świecie. Będzie on korzystał z budowanego właśnie najpotężniejszego na świecie źródła neutrin, PIP-II, w które zainwestowała Polska.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...