מצפה נויטרינו בגלאי אייסקיוב

מצפה נויטרינו בגלאי אייסקיוב (באנגלית: IceCube) הוא גלאי נייטרינו אשר נמצא בתחנה האנטארקטית אמונדסן-סקוט באנטארקטיקה. הגלאי מכיל אלפי חיישנים אשר מפוזרים בנפח של קילומטר מעוקב מתחת לקרח הארקטי. הגלאי מורכב מחיישנים עגולים אופטיים (DOM Digital Optical Modules). בתוך הקרח יש סריג של חוטים המושחלים אנכית בעומק של 1.5-2.5 ק"מ ולאורך כל אחד מהם מוצמדים 60 חיישני DOM – בסך הכל יש 86 חוטים כאלו. IceCube מתוכנן לחפש מקורות נייטרינו בעלי רמת אנרגיה גבוהה מאוד על מנת לחקור תהליכים אסטרופיזיקליים. בנובמבר 2013 הוכרז כי ה-IceCube זיהה 28 חלקיקי נייטרינו שמקורם מחוץ למערכת השמש.

תיאור המודל

בנייה

תיאור DOM

הגלאי מורכב למעשה מ-86 מיתרים, שעל כל אחד מהם מותקנים 60 Digital Optical Modules, כל אחד מהם מעט גדול יותר מקוטרו של כדורסל. כל המכשור הורד לתוך פיר שעומקו כ-2.5 ק"מ, על מנת ליצור מבנה בצורת קובייה שנפחה הוא קילומטר מעוקב. הקובייה מורכבת מ-5,160 גלאים סך הכול והיא מתחילה מעומק של קילומטר וחצי מתחת לקרקע. בנוסף ישנם גם תתי-גלאים כגון, Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) AMANDA) ו-גלאי קרינה צ'רנקוב. בניית הגלאי החלה בשנת 2005 והושלמה ב-18 בדצמבר 2010. עלות הבנייה הייתה בסך של כ-240 מיליון דולר, ובשיתוף פעולה של 47 מוסדות מ-12 מדינות שונות ברחבי העולם בהובלת הקרן האמריקנית הלאומית למדע.

איך הניסוי עובד

נייטרינו נכלל במודל הסטדנרטי כאחד מהחלקיקים האלמנטריים ושייך לקבוצת הלפטונים והוא בעל מטען חשמלי נייטרלי ורק לעיתים רחוקות מגיב עם חומרים אחרים. כשנייטרינו כן מגיב עם מולקולת מים חלקיק חדש, שמטענו החשמלי זהה למטען האלקטרון אך מסתו שונה - מיואון או טאו (השייכים לקבוצת הלפטונים גם כן). טעון כמו אלקטרון, מיואון או טאו. הלפטונים הטעונים הללו יכולים לנוע בקרח במהירות הגבוהה יותר ממהירות הפאזה של אור אשר יעבור דרך אותו הקרח. זאת משום שכאשר האור נע בתוך הקרח הוא מאט במקצת אבל הלפטונים אינם מושפעים מהעובדה שהם זזים בקרח ולכן מהירותם גדולה יותר ממהירות האור. כאשר הלפטונים נעים בקרח במהירות הגבוה יותר ממהירות הפאזה של האור - הם פולטים קרינת צ'רנקוב אשר נקלטת על ידי החיישנים. האותות המתקבלים מועברים לפני השטח של הקרחון על ידי כבלים. האותות נאספים ונשלחים למתקן וחלקם נשלחים להמשך מחקר לניתוח נוסף באוניברסיטאות השותפות למחקר זה. ברגע שהמידע מועבר ניתן לשחזר את מסלול התנועה של הנייטרינו אשר הגיע ועבר דרך הגלאי. הגלאים של IceCube מסוגלים לזהות רק חלקיקי נייטרינו בעלי אנרגיה מינימלית של 10¹¹ אלקטרון-וולט. כתוצאה מכך מה שהוזכר לפני לא יתרחש אם האנרגיה של חלקיק נייטרינו לא תעמוד בדרישות המינימליות.

בזמן פעולת הגלאי קיימים אתגרים המפריעים ומקשים על המחקר איתם יש להתמודד. לדוגמה, כשקרינה קוסמית פוגעת באטמוספירה מעל לחיישנים נוצרים חלקיקי מיואון אשר נקלטים בגלאי IceCube ומקשים על זיהוי המיואונים שמקורם בהתנגשות של נייטרינו במולקולת המים בקרח שלשמם נבנו גלאים אלו. בנוסף, מגיעים לגלאי גם נייטרינו אשר נובעים מקרינה קוסמית הפוגעת בקצה השני של כדור הארץ. על מנת להבדיל בין התופעות השונות בודקים את האנרגיה והכיוון של התוצרים של הנייטרינו אחרי ההתנגשות. אם יש יותר אנרגיה מהמצופה או שהכיוון במרחב הוא יוצא דופן, ניתן לדעת שמקורו של הנייטרינו הוא מחוץ לכדור הארץ.

מטרות הניסוי

מקורות נקודתיים של נייטרינו בעלי אנרגיות גבוהות

מקור של נויטרינו בעלי אנרגיה גבוה יכול להסביר את המקור של הקרינה הקוסמית בעלת האנרגיה הגבוה ביותר. לקרינה זו יש כל כך הרבה אנרגיה שהשדה המגנטי של גלקסיות לא מסוגל להכיל אותן, ולכן מניחים שהן מגיעות ממקור אחר. ההשערה התאורטית היא שהמקורות הללו, אשר יכולים ליצור קרינה קוסמית כזאת, גם יצרו נויטרינו בעלי אנרגיה גבוהה שמסוגלים להגיע לכדור הארץ. לכן נייטרינו אלו יבצעו אינטראקציה עם הגלאי IceCube וניתן יהיה לחקור אותם.

התפרצויות של קרינת גמא אשר חופפות עם נייטרינו

כאשר שני פוטונים מתנגשים זה עם זה או כאשר קבוצה של פוטונים מתנגשים הם יוצרים פאיונים. פאיונים טעונים מתפרקים למיואונים ולמיואון נייטרינו ואילו פאיונים טבעיים (אשר לא נוצרו מהתנגשות פוטונים) מתפרקים והופכים לקרינת גמא. קיימת אפשרות ששטף של קרינת גמא יחפוף לשטף של נייטרינו במקורות מסוימים כגון, התפרצויות של קרינת גמא ושאריות של סופרנובה. תופעה זו תוכל לשפוך אור על אופייה החמקמק של ההתפרצויות של קרינת גמא.

תנודת נייטרינו

הגלאי IceCube מסוגל לזהות גם את תנודותיהם של נייטרינו שמקורם בקרינה הקוסמית. הגלאי מסוגל לזהות רק נייטרינו אשר יש להם אנרגיה של לפחות 25 ג'יגה-אלקטרון-וולט. ככל שהזמן עובר כך מתקבל עוד ועוד מידע על תנודת האלקטרונים וכתוצאה מכך IceCube יוכל לדייק יותר במדידותיו ואולי אפילו למצוא את המסה המדויקת של שלושת חלקיקי הנייטרינו השונים (אלקטרון נייטרינו, מיואון נייטרינו ותאו נייטרינו).

חיפוש אחר חומר אפל

Weakly interacting massive particle) WIMP), חומר אפל יכול להילכד על ידי כוח המשיכה של גרמי שמיים אשר בעלי מסות גבוהות כמו השמש ולהצטבר במרכזה. אם ריכוז החומר מספיק גבוה הם יתחילו לעבור איון. כתוצאה מכך עשויים להיווצר חלקיקי נויטרינו. הגלאי IceCube יוכל לזהות את התופעה הזו מכיוון שבמקרה שכזה הוא יקלוט יותר חלקיקי נויטרינו מכיוון השמש מבדרך כלל.

סופרנובה

IceCube הוא חלק ממערכת ההתראה מפני סופרנובות. הגלאי מסוגל לזהות רק סופרנובות שנמצאות בתוך הגלקסיה שלנו משום שלנויטרינו שלהן יש רמת אנרגיה גבוה מספיק כדי שהגלאי יוכל לגלות. בניגוד לנויטרינו של סופרנובות רחוקות שהם בעלי רמת אנרגיה נמוכה מידי.

תוצאות

הארגון פרסם מאמרים על המגבלות של זרימת הנויטרינו ממקורות, התפרצויות גמא והשמדת נויטרינו בשמש.

ב-2013 זוהו שני נויטרינו אשר רמת האנרגיה שלהם היא הגבוהה ביותר שאי-פעם התגלתה. לנויטרינו הללו קראו ארני וברט (בעברית אריק ובנץ) על שם הדמויות מתוכנית הטלוויזיה לילדים "רחוב סומסום". באותה שנה התגלה חלקיק נוסף שרמת האנרגיה שלו הייתה גדולה אף יותר משל השניים הקודמים והוא נקרא על שם דמות נוספת מרחוב סומסום - ציפורת.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מצפה נויטרינו בגלאי אייסקיוב בוויקישיתוף

• אתר האינטרנט הרשמי של מצפה נויטרינו בגלאי אייסקיוב (באנגלית)
• IceCube Neutrino Observatory
• "חלקיקים מהחלל בעומק הקרח" ירחון "הידען", מכון ויצמן
• הושלמה בניית טלסקופ הנייטרינו באנטארקטיק IceCube, ירחון "הידען", מכון ויצמן
• Big Bird joins Bert and Ernie (באנגלית)
• Collaboration, באתר אוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון (באנגלית)