Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters από την Κοινοπραξία IceCube παρουσιάζει στοιχεία που αποδεικνύουν ότι το ενεργειακό φάσμα των αστροφυσικών νετρίνων δεν ακολουθεί μια απλή, ευθεία γραμμή.
Τα αστροφυσικά νετρίνα είναι μικροσκοπικά, σχεδόν άμαζα σωματίδια που παράγονται όταν οι κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρούν με την ύλη ή την ακτινοβολία κοντά σε βίαιες πηγές του σύμπαντος, όπως οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες, οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα και τα υπολείμματα υπερκαινοφανών αστέρων (σουπερνόβα). Επειδή αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη, ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές από τα πέρατα του ορατού σύμπαντος, μεταφέροντας πολύτιμες πληροφορίες για το περιβάλλον στο οποίο δημιουργήθηκαν.
Αναλύοντας δεδομένα που συγκεντρώθηκαν σε διάστημα μεγαλύτερο των δέκα ετών, η μελέτη εντόπισε μια κάμψη (ασυνέχεια) στο φάσμα των νετρίνων κοντά στα 30 TeV (τεραηλεκτρονιοβόλτ), μια ενέργεια συγκρίσιμη με εκείνες που επιτυγχάνονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Το εύρημα αυτό αποκλείει το παραδοσιακό μοντέλο του απλού εκθετικού νόμου (single power law) με στατιστική σημαντικότητα μεγαλύτερη από 4σ. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα το αποτέλεσμα να είναι ένα τυχαίο στατιστικό λάθος είναι μικρότερη από 1 στις 16.000.
Η επανεξέταση του φάσματος
Από το 2013, όταν το IceCube ανίχνευσε για πρώτη φορά αστροφυσικά νετρίνα υψηλής ενέργειας, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να χαρτογραφήσουν τη συμπεριφορά της ροής τους σε διάφορα ενεργειακά επίπεδα. Για χρόνια, τα δεδομένα έδειχναν να συμφωνούν με το μοντέλο του απλού εκθετικού νόμου, σύμφωνα με το οποίο ο αριθμός των νετρίνων μειώνεται ομαλά καθώς αυξάνεται η ενέργεια. Ωστόσο, υπήρχαν πάντα ενδείξεις για κάτι πιο περίπλοκο.
Προηγούμενες αναλύσεις είχαν υποδείξει μια πιθανή περίσσεια ή κάμψη στο φάσμα γύρω στα 30 TeV, όπου η ροή των νετρίνων φαινόταν να συμπεριφέρεται διαφορετικά από ό,τι προέβλεπε η θεωρία για τις υψηλές ενέργειες. Καμία από εκείνες τις ενδείξεις, όμως, δεν διέθετε τη στατιστική ισχύ για να επιβεβαιώσει ένα πραγματικό χαρακτηριστικό.
Η νέα έρευνα επανεξέτασε το ζήτημα με πολύ περισσότερα δεδομένα, αυστηρότερη επιλογή γεγονότων και βελτιωμένη διαχείριση των συστηματικών αβεβαιοτήτων, με σκοπό να ελέγξει αν το φάσμα ακολουθεί τελικά μια σταθερή πορεία ή αν κρύβει επιπλέον δομές.
Δύο ανεξάρτητες αναλύσεις στον ίδιο ανιχνευτή
Το Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube χρησιμοποιεί 5.160 οπτικούς αισθητήρες, οι οποίοι είναι θαμμένοι σε έναν κυβικό παγετώνα έκτασης ενός τετραγωνικού χιλιομέτρου στο Νότιο Πόλο. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά σπάνια με έναν πυρήνα μέσα στον πάγο, παράγει μια καταιγίδα φορτισμένων σωματιδίων που κινούνται ταχύτερα από το φως μέσα στο συγκεκριμένο μέσο. Η κίνηση αυτή εκπέμπει μια αμυδρή μπλε λάμψη, γνωστή ως ακτινοβολία Cherenkov, την οποία καταγράφουν οι αισθητήρες.
Για να ελέγξει το σχήμα του φάσματος, η ομάδα πραγματοποίησε δύο ανεξάρτητες αναλύσεις σε διαφορετικά αλλά επικαλυπτόμενα σύνολα δεδομένων. Η πρώτη, με την ονομασία Combined Fit, συνδύασε ένα μεγάλο δείγμα γεγονότων τύπου τροχιάς (που αφήνουν πίσω τους μακρόστενες γραμμές φωτός) και γεγονότων τύπου καταρράκτη (πιο συμπαγείς φωτεινές καταιγίδες).
Η δεύτερη ανάλυση, με την ονομασία Medium Energy Starting Events (MESE), επικεντρώθηκε αποκλειστικά σε νετρίνα που αλληλεπιδρούν απευθείας στο εσωτερικό του ανιχνευτή, προσφέροντας ένα καθαρότερο δείγμα που καταγράφει φυσικά και τις τρεις γεύσεις νετρίνων: ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ. Και οι δύο μέθοδοι δοκίμασαν τέσσερα διαφορετικά φασματικά μοντέλα στα δεδομένα.
Μια ξεκάθαρη στροφή στα 30 TeV
Τα αποτελέσματα και των δύο αναλύσεων ταυτίστηκαν. Το μοντέλο του σπασμένου εκθετικού νόμου (broken power law) αναδείχθηκε ως το επικρατέστερο, απορρίπτοντας τον απλό εκθετικό νόμο. Τα δεδομένα δείχνουν ότι το φάσμα είναι «σκληρότερο» (δηλαδή η ροή μειώνεται με πιο αργό ρυθμό) στις χαμηλές ενέργειες και γίνεται σημαντικά πιο απότομο μετά το σημείο μετάβασης, κοντά στα 30 TeV.
Συγκεκριμένα, στην ανάλυση MESE, ο δείκτης για τις χαμηλές ενέργειες ήταν 1.72 και για τις υψηλές 2.84, επιβεβαιώνοντας ότι η πτώση της ροής γίνεται πολύ πιο έντονη πάνω από το όριο της κάμψης. Η ανάλυση Combined Fit έδωσε αντίστοιχα 1.31 και 2.74, επαληθεύοντας την ίδια ακριβώς συμπεριφορά.
Τι σημαίνει αυτό για τη φυσική
Η ύπαρξη μιας κάμψης στο διάχυτο φάσμα των νετρίνων έχει σοβαρές προεκτάσεις για τις κοσμικές πηγές που τα παράγουν. Οι συγγραφείς της μελέτης σημειώνουν ότι η αλλαγή αυτή μπορεί να μαρτυρά μια διαφοροποίηση στους πληθυσμούς ή στη δυναμική των αστροφυσικών αντικειμένων, ενώ δεν αποκλείεται το διάχυτο υπόβαθρο νετρίνων να κρύβει στοιχεία νέας φυσικής, όπως σωματίδια που προέρχονται από τη διάσπαση ή την εξαΰλωση της σκοτεινής ύλης.
Επιπλέον, το αποτέλεσμα αυτό επιλύει μια μακροχρόνια ασυμφωνία ανάμεσα στις μετρήσεις του IceCube και στο διάχυτο εξωγαλαξιακό υπόβαθρο ακτίνων γάμμα. Η επέκταση του παλιού μοντέλου στις χαμηλές ενέργειες (1-10 TeV) προέβλεπε πολύ περισσότερα νετρίνα από όσα ήταν συμβατά με την παρατηρούμενη ροή ακτίνων γάμμα. Η νέα μέτρηση γεφυρώνει αυτό το χάσμα, προσφέροντας μια πιο καθαρή και ολοκληρωμένη εικόνα για το σύμπαν υψηλών ενεργειών.