Нейтрино — хитрые маленькие вредители, которых трудно наблюдать. Нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде была построена для обнаружения нейтрино из космоса. Это один из самых чувствительных инструментов, созданный с надеждой, что он поможет обнаружить доказательства существования темной материи. Любая темная материя, оказавшаяся внутри Земли, высвободит нейтрино, которые сможет обнаружить IceCube. На сегодняшний день и за 10 лет поисков, похоже, не обнаружено никаких лишних нейтрино, прилетающих с Земли!
Нейтрино — это субатомные частицы, легкие и не несущие электрического заряда. Определенные события, такие как сверхновые и солнечные события, генерируют огромное количество нейтрино. К настоящему времени Вселенная будет переполнена нейтрино, и триллионы из них будут проходить через каждого человека каждую секунду. Однако проблема заключается в том, что нейтрино редко взаимодействуют с материей, поэтому наблюдать и обнаруживать их сложно. Как и другие субатомные частицы, нейтрино бывают разных типов; электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино, каждый из которых связан с соответствующим лептоном (элементарной частицей с полуцелым спином). Изучение нейтрино всех типов является ключом к пониманию фундаментальных физических процессов в космосе.
Нейтринная обсерватория IceCube начала сбор данных в 2005 году, но полноценную работу она начала только в 2011 году. Он состоит из более чем 5000 детекторов размером с футбольный мяч, расположенных внутри кубического километра льда глубоко под землей. Устроенные таким образом детекторы предназначены для улавливания слабых вспышек черенковского излучения, возникающих при взаимодействии нейтрино со льдом. Место вблизи Южного полюса было выбрано потому, что лед действует как естественный барьер против фонового излучения Земли.
Используя данные обсерватории IceCube, группа исследователей под руководством Р. Аббаси из Чикагского университета Лойолы исследует природу темной материи. Считается, что этот странный и невидимый компонент Вселенной составляет 27% массы-энергии Вселенной. К сожалению, темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет, что делает ее невозможно обнаружить обычными средствами. Одна из версий заключается в том, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (вимпов). Они могут быть захвачены такими объектами, как Солнце, что приведет к их аннигиляции и переходу в нейтрино. Именно за ними и охотилась команда.
В статье, опубликованной командой, излагаются результаты поиска мюонных нейтрино из центра Земли в течение 10 лет по данным, полученным IceCube. Команда искала в основном вимпы в диапазоне масс от 10 ГэВ до 10 ТэВ, но из-за сложности и положения источника (центр Земли) команда полагалась на моделирование Монте-Карло. Название взято из названия казино в Монако и предполагает запуск множества случайных симуляций. Этот метод используется там, где точные расчеты не могут дать ответ, и поэтому моделирование основано на концепции, согласно которой случайность может быть использована для решения проблем.
Проведя множество подобных симуляций, команда не обнаружила превышения потока нейтрино над фоновым уровнем с Земли. Однако они приходят к выводу, что, хотя никаких доказательств пока не обнаружено, модернизация обсерватории IceCube может дать более многообещающие результаты, поскольку они смогут исследовать события с меньшей массой нейтрино и, надеюсь, однажды разгадать тайну природы темной материи.
Источник: Поиск темной материи в центре Земли на основе данных IceCube за десять лет.
