Překvapivý zlom v toku kosmických neutrin: Observatoř IceCube mění pohled na jejich zdroje

Observatoř IceCube, umístěná v antarktickém ledu, zaznamenala průlomový objev v oblasti kosmických neutrin. Nová studie, publikovaná v časopise Physical Review Letters, přináší důkazy, že energetické spektrum astrofyzikálních neutrin není jednoduchá přímka, ale vykazuje zlom.

Observatoř IceCube, umístěná v antarktickém ledu, zaznamenala průlomový objev v oblasti kosmických neutrin. Nová studie, publikovaná v časopise Physical Review Letters, přináší důkazy, že energetické spektrum astrofyzikálních neutrin není jednoduchá přímka, ale vykazuje zlom. Tento objev mění dosavadní pohled na to, jak se tyto záhadné částice šíří vesmírem a jaké informace nám přinášejí.

Astrofyzikální neutrina jsou téměř nehmotné částice, které vznikají při interakci vysokoenergetického kosmického záření s hmotou nebo radiací v blízkosti zdrojů, jako jsou aktivní galaktická jádra, gama záblesky a pozůstatky supernov. Díky tomu, že jen minimálně interagují s okolním prostředím, cestují z nejvzdálenějších koutů pozorovatelného vesmíru v přímých liniích a nesou cenné informace o prostředích, která je vytvořila. Analýzou dat shromažďovaných více než deset let vědci zjistili zlom ve spektru v blízkosti 30 TeV, což je energie srovnatelná s těmi, které se dosahují v urychlovači částic Large Hadron Collider. Toto zjištění s vysokou statistickou významností (více než 4σ) vyvrací model jednoduchého mocninného zákona, který byl dosud používán k popisu toku neutrin.

Vedant Basu, spoluautor studie z University of Utah, zdůrazňuje, že neutrina fungují jako kosmičtí poslové z nejvzdálenějších koutů vesmíru. Umožňují nám zkoumat dynamiku extrémních prostředí při energiích, které na Zemi nelze replikovat. Celkový tok těchto neutrin na Zemi, známý jako difúzní astrofyzikální neutrinový tok, představuje souhrnnou emisi ze všech neutrinových zdrojů v pozorovatelném vesmíru. Mapování změn tohoto toku s energií pomáhá výzkumníkům pochopit, jaké typy zdrojů dominují a jakým způsobem jsou kosmické paprsky urychlovány na tak vysoké energie.

Dvě nezávislé analýzy, jeden detektor

Observatoř IceCube využívá 5 160 optických senzorů pohřbených v krychlovém kilometru antarktického ledovce na jižním pólu. Když neutrino občas interaguje s jádrem v ledu, produkuje spršku nabitých částic, které se pohybují rychleji než světlo v ledu a emitují slabou modrou záři, takzvané Čerenkovovo záření, které senzory zachytí. Aswathi Balagopal V. z University of Delaware vysvětluje, že jelikož neutrina interagují velmi zřídka, je zapotřebí velký objem detektoru s průhledným médiem pro přenos Čerenkovových světelných signálů. Proto IceCube využívá 1 kubický kilometr velmi čistého ledu, který je v Antarktidě snadno dostupný. Detektor je navíc pohřben 1,5 km pod povrchem, což snižuje rušení od spršek kosmického záření.

K ověření tvaru neutrinového spektra tým provedl dvě nezávislé analýzy na překrývajících se, ale odlišných datových souborech. První, nazvaná „Kombinované přizpůsobení“, sloučila dva stávající datové soubory: velký vzorek stopových událostí (muonová neutrina) a vzorek kaskádových událostí (jiné typy neutrin). Druhá analýza, „Středně energetické startovací události“ (MESE), se zaměřila na neutrina, která interagují přímo uvnitř detektoru, což poskytuje čistší vzorek zachycující všechny tři typy neutrin (elektronová, muonová a tau). Obě analýzy testovaly čtyři možné spektrální modely: jednoduchý mocninný zákon, mocninný zákon s exponenciálním útlumem, logaritmickou parabolu a lomený mocninný zákon.