Neutrinos sind extrem kleine Teilchen mit einer neutralen elektrischen Ladung, einem halbintegralen Spin, der selten mit Materie reagiert, und einer Masse nahe Null. Sobald wir die Mittel haben, sie zu untersuchen, können sie viele der Geheimnisse der Physik aufdeckendas Universum.
Das Problem bei der Messung dieser winzigen Partikel besteht darin, dass sie nicht an der starken Kraft beteiligt sind, wodurch ihre Gravitationswechselwirkung sehr schwach wird. so dass sie normalerweise ungehindert und unentdeckt durch normale Materie gelangen. Tatsächlich passieren die meisten Neutrinos unseren gesamten Planeten ohne jemals gegen ein anderes Molekül stoßen . Dies wirft einige interessante Probleme beim Nachweis und der Messung von Neutrinos und ihren Wechselwirkungen auf. Dies bedeutet auch, dass für die Beobachtung von Neutrinos einige High-Tech-Geräte erforderlich sind, die jetzt in Neutrino-Observatorien installiert werden.
Neutrinos entstehen im Allgemeinen durch radioaktiven Zerfall von Kernen, Kernreaktionen in Sternen, aus Supernovae oder wenn kosmische Strahlen auf Atome treffen. Durch die Art und Weise, wie Neutrinos erzeugt werden, können wir durch Beobachtung von Neutrinos auch etwas über entfernte Sterne und entfernte Kernkerne lernenWir können auch etwas über unsere eigene Sonne lernen, den Stern, der uns am nächsten ist, da dies eine bedeutende Quelle für Neutrinos ist, die die Erde passieren.
Ein weiterer wichtiger Punkt bei Neutrinos ist, dass für jedes von ihnen ein entsprechendes Antiteilchen vorhanden ist. Diese Teilchen werden genannt. Antineutrinos die einige andere Eigenschaften als das entsprechende Neutrino aufweisen Leptonzahl, entgegengesetzte Chiralität usw., aber wir werden hier nicht auf diese Besonderheiten eingehen - zurück zu der Frage, wie diese unglaublich kleinen neutralen Partikel beobachtet und gemessen werden können.
Was sind Neutrino-Observatorien?
Neutrino-Observatorien bestehen aus einer Reihe von Neutrino-Detektoren, bei denen es sich um Geräte handelt, die speziell zur Untersuchung und Detektion von Neutrinos entwickelt wurden. In Anlehnung an das zuvor diskutierte Problem, dass Neutrinos normalerweise nicht mit anderen Partikeln interagieren, müssen Neutrino-Detektoren unglaublich seingroß, um etwas Bedeutendes zu erkennen. Sie müssen auch sein eingebaute Standorte mit geringen Hintergrundgeräuschen wie unterirdisch, unter Wasser oder unter dem Eis, um die Detektoren von anderen kosmischen Strahlen und Strahlung zu isolieren.
All dies ist praktischer als Sie denken, da sich Neutrino-Observatorien und die darin enthaltenen Detektoren für ein Feld eignen, das noch in den Kinderschuhen steckt: die Neutrino-Astronomie. Durch das Studium der Neutrinos können wir viel über unsere lernenUniversum. Das Studium der Neutrinos ist auf dem neuesten Stand der physikalischen Entdeckung.
Bisher Neutrino-Detektoren konnten wirklich nur zwei außerirdische Neutrinoquellen bestätigen, die Sonne und eine Supernova mit dem Namen 1987A, aber dies könnte sich schnell ändern, da mehr Neutrino-Observatorien gebaut werden und über längere Zeiträume in Betrieb sind.
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Viele Objekte, die wir im gesamten Universum visuell beobachten können, scheinen verzerrt zu sein. Oder besser gesagt, die Daten, die wir erhalten, erzählen nicht die ganze Geschichte. Dies liegt daran, dass p Hotons, die durch Sternereignisse wie Supernovae erzeugt werden, werden auf ihrer Reise absorbiert. Da Neutrinos jedoch nicht mit anderer Materie interagieren, und kann auf Reisen Gas und Staub durchdringen. Durch das Studium von Neutrinos können Astronomen die Phänomene identifizieren und untersuchen, die sie erzeugen.
Tatsächlich wird geschätzt, dass ungefähr 20% des Universums übersehen werden, wenn nur mit vorhandenen Mitteln gemessen wird. Neutrino-Observatorien könnten diese fehlenden 20% freischalten.
Wie funktionieren Neutrino-Observatorien?
Neutrino-Observatorien haben eine Hauptfunktion, Neutrinos zu erkennen und zu messen. Unter Berücksichtigung dieses Ziels gibt es tatsächlich viele verschiedene Wege, die diese Observatorien einschlagen müssen, um dorthin zu gelangen.
Eine Beobachtungstechnik verwendet ein Gerät, das als a bekannt ist. Szintillator . Szintillatordetektoren verwenden Materialien, die Szintillation zeigen - eine Art von Lumineszenz, die auftritt, wenn Partikel vorhanden sind. angeregt durch ionisierende Strahlung.
Diese Detektoren können in der Regel unter Wasser installiert werden. Wenn Antineutrinos - die mit Neutrinos verbundenen Antiteilchen - mit ausreichend hoher Energie durch sie hindurchtreten, können sie eine Reihe von Wechselwirkungen auslösen, die zur Freisetzung von zusammenfallenden Photonen führensind messbar.
Die Szintillationstechnik wird im Allgemeinen zur Untersuchung von Neutrinos verwendet, die von Kernreaktoren erzeugt werden, da nur eine sehr kleine Anzahl von Neutrinos genug Energie enthält, um auf diesem Gerät nachgewiesen zu werden, was bedeutet, dass realistisch terrestrische Quellen wie Kernreaktoren die einzigen ausreichend starken Neutrinoquellen sind.
Zusätzlich zur Szintillation können Forscher auch verwenden Chlordetektoren . Mit chlorhaltiger Flüssigkeit gefüllte Tanks werden gelegentlich von Neutrinos beeinflusst, was bedeutet, dass einige der Chloratome in Argon-37 umgewandelt werden. Dieses Argon kann periodisch herausgefiltert und der Zustand und die Menge des Isotops gemessen werden.
Cherenkov-Detektoren sind auch eine andere Methode zum Nachweis von Neutrinos. Diese verwenden das Prinzip des Cherenkov-Lichts, benannt nach dem Nobelpreisträger Physiker Pavel A. Cherenkov .
Cherenkov-Detektoren enthalten ein großes Volumen an klarem Material wie Wasser oder Eis, das dann von lichtempfindlichen Photovervielfacherröhren umgeben ist. Während sich Neutrinos mit einer Geschwindigkeit, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, durch das klare Medium bewegen, entsteht eine Stoßwelle der Cherenkov-Strahlungwird erzeugt. Diese Strahlung kann von den Photovervielfacherröhren aufgenommen werden, deren Daten dann interpretiert werden können, um die Richtung, Energie und andere Eigenschaften von Neutrinos zu bestimmen.
Funkdetektoren Verwenden Sie auch klare Medien wie Eis, um Cherenkov-Strahlung von Neutrinos zu erfassen. In diesem Fall wird jedoch ein Detektor, der als Impuls-Transientenantenne bekannt ist, über große Eisplatten geflogen, typischerweise in der Antarktis, um Umgebungsstrahlung von hoher Energie zu messenNeutrinos, die mit dem Eis unten interagieren.
Was ist das größte Neutrino-Observatorium?
Derzeit ist die größtes Neutrino-Teleskop befindet sich am - oder im - Südpol und besteht im Wesentlichen aus einem riesigen Eiswürfel. Dieses Observatorium, bekannt als IceCube Neutrino Observatory, wurde kürzlich fertiggestellt und markiert ein massives Gemeinschaftsprojekt zwischen der National Science Foundation undviele Bildungseinrichtungen.
Dieses Riesenteleskop besteht aus 86 Bohrlöchern und 5.160 optische Sensoren im Südpol-Eis platziert, um die Hauptteile des Detektors zu bilden.
Die Detektoren selbst achten auf Myon-Neutrino und andere Arten von geladenem Neutrino Leptonen, die durch Kollisionen zwischen diesen entstehen. Neutrinos und Wassermoleküle im Eis . Wenn t Diese geladenen Teilchen sind energiereich genug, sie emittieren Cherenkov-Strahlung . Dies geschieht, wenn sich das geladene Teilchen schneller als das durch das Eis bewegt. Lichtgeschwindigkeit im Eis . Das Licht kann dann von den Sensoren in erkannt werden die digitalen optischen Module, aus denen IceCube besteht.
Myon-Neutrinos behalten die Richtung des ursprünglichen Neutrinos bei, was bedeutet, dass das Observatorium durch Beobachtung und Verfolgung dieser Partikel den "Weg" des Neutrinos durch das Universum abbilden kann.
Das Observatorium besteht aus rund einem Kilometer Eis und einer Reihe von Oberflächengebäuden für die Besatzung. Die große Fläche und das große Eisvolumen erhöhen die Chance für die Forscher, Daten zu sammeln.
Wo befinden sich andere Neutrino-Observatorien?
Da Neutrinos zu den am schwersten zu detektierenden kosmischen Partikeln gehören, müssen ihre Detektoren an den bestmöglichen Orten gebaut werden. Dies bedeutet sehr aufwändige und teure Detektor-Arrays, und Sie möchten diese Arrays auf keinen Fall am falschen Ort bauen.
Um einen Überblick über die verschiedenen gebauten Neutrino-Detektoren zu erhalten, werfen wir einen Blick auf die bekanntesten, die derzeit in Betrieb sind.
IceCube - Südpol
Wir haben bereits einige Zeit damit verbracht, über das IceCube-Observatorium in der Antarktis zu diskutieren, damit wir in diesem Abschnitt nicht zu sehr ins Detail gehen. Lassen Sie uns nur das letzte Bemerkenswerte am Observatorium erwähnen: seine Kosten - 271 Millionen US-Dollar. Dieser Betrag betrugfinanziert durch Universitätsstipendien aus der ganzen Welt, zusammen mit Stipendien der National Science Foundation. 2013 IceCube-Forscher berichteten, dass sie die ersten extragalaktischen Neutrinos abgefangen haben.
NOvA - Ash River, Minnesota, USA
NOvA ist ein Neutrino-Detektor in Minnesota. Speziell in Ash River überwacht dieser Langstrecken-Detektor Neutrinos, die in ganz Illinois produziert werden. Insbesondere Neutrinos, die vom Fermilab-Teilchenbeschleuniger produziert werdenDer NOvA-Detektor, ein kosmischer Detektor von Neutrinos zur Untersuchung des Universums, wurde entwickelt, um die Neutrinos selbst zu untersuchen und unser Wissen über die Beobachtung von Neutrinos zu erweitern.
Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt des NOvA sind die Kosten von rund 267 Millionen US-Dollar, die den Kosten des IceCube-Detektors ziemlich genau entsprechen. Wie Sie sehen können, sind Neutrino-Observatorien nicht billig.
Super-Kamiokande - Hida, Präfektur Gifu, Japan
Der Super-Kamiokande-Detektor, auch als T2K bekannt, ist ein Langstrecken-Neutrino-Detektor, der die Partikel aus dem 300 km entfernten J-PARC-Labor misst. Insbesondere misst der T2K Antineutrinos mit eingesetzten FotovervielfacherröhrenWasser. Mit einem Gesamtpreis von 100 Millionen US-Dollar ist dieser Detektor billiger als Neutrino-Detektoren.
OPER - unterirdische Labore von Gran Sasso
Dann haben wir den OPERA-Detektor, der einige der seltensten Neutrinos entdeckt hat, die jemals untersucht wurden. Dieses Detektorarray untersucht speziell die Schwingung der Neutrinos vom CERN in der Schweiz. Die Neutrinos, die es aufnimmt, bewegen sich ungefähr 450 Meilen 725 km bis sie erkannt und untersucht werden.
Die Erstkonstruktion kostet 160 Millionen US-Dollar. Dieses Detektorarray befindet sich auf dem Mittelweg der Erschwinglichkeit. Sie wissen, falls Sie auf dem Markt nach einem neuen Neutrino-Detektorarray suchen, das Sie selbst nennen können.
In Kürze erhältlich - der P-ONE
Schließlich planen Astrophysiker, ein Neutrino-Teleskop zu bauen, das noch größer als IceCube ist. auf dem Meeresboden vor der Küste Kanadas . Das Neutrino-Experiment im Pazifischen Ozean P-ONE besteht aus sieben Gruppen von 10 Detektorketten und einer Tiefe von etwa 2,6 km 1,6 Meilen und einem Volumen von etwa 3 km 106.000 Kubikfuß. 3 . Ziel ist es, seltene Neutrinos mit höherer Energie zu entdecken. Nach der ersten Exploration wurden 2018 zwei erste Ketten von Lichtemittern und Sensoren eingesetzt, und der erste Teil des Observatoriums soll gegen Ende 2023 installiert werden.Wenn dies erfolgreich ist, hoffen die Forscher, die geschätzten 200 Mio. USD aufzubringen und das Projekt gegen Ende des Jahrzehnts abzuschließen.