دانشمندی که بر روی آشکارساز نوترینو "Ice Cube" کار می کند، فناوری برنده جایزه نوبل را توضیح می دهد

خوان کارلوس دیاز ولز در مرکز اخترفیزیک ذرات مکعب یخ ویسکانسین در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون کار می کند. برنده جدید نوبل رئیس اوست. دیاز ولز می گوید: «وقتی به دفاتر WIPAC رسیدم، همه لبخند می زدند و به یکدیگر تبریک می گفتند. ما در اتاق کنفرانس جمع شدیم تا کنفرانس مطبوعاتی را با فرانسیس هالزن، که در آن زمان در ایتالیا حضور داشت، تماشا کنیم.

ما منتظر بازگشت او خواهیم بود تا جشن بگیریم، و در عین حال، ما به کار بر روی مطالعه نوترینو ادامه خواهیم داد، زیرا این کار هرگز تمام نمی شود. این کار با استفاده از آشکارسازهای درون یک بلوک بزرگ از یخ، یک ذره گریزان را شناسایی می‌کند. دیاز ولز توضیح می دهد: «نوترینوها ذرات زیر اتمی هستند که در واکنش های درون هسته اتم ها شرکت می کنند. آنها با رادیواکتیویته روی زمین - و حتی در هندوانه و موز، به دلیل محتوای پتاسیم 40 - و همچنین در بدن ما تولید می شوند. نه این که هیچ یک از ما متوجه شویم. این ذرات به راحتی با ماده تعامل نمی کنند.

همانطور که از نام آنها پیداست، نوترینوها هیچ بار الکتریکی ندارند، بنابراین می توانند بدون تاثیر میدان های مغناطیسی در یک خط مستقیم در فضا حرکت کنند و دائما از کل زمین بدون برهمکنش با یک اتم عبور می کنند. دیاز ولز می‌گوید: «نوترینوهای خورشید به قدری فراوان هستند که در هر ثانیه یک میلیارد از آنها از ناخن انگشت شست عبور می‌کنند». نوترینوهایی که توسط تیم هالزن مورد مطالعه قرار گرفته اند، ذرات ریزشی نیستند که دائما با آنها مواجه می شویم - البته ناآگاهانه. آنها به نوترینوهای بسیار پرانرژی که از اعماق فضا می آیند علاقه مند هستند.

این ذرات کیهانی ممکن است از بقایای ابرنواخترها یا حتی سیاهچاله ها سرچشمه بگیرند. میدان های مغناطیسی شدید چنین پدیده هایی می تواند ذراتی مانند پروتون را به انرژی های بسیار بالا شتاب دهد. دیاز ولز می‌گوید: «هنگامی که این ذرات با محیط بین‌ستاره‌ای – که شامل گاز و پلاسما است – برخورد می‌کنند، پرتوهای گاما و نوترینو تولید می‌کنند.» به همین دلیل است که نوترینوها پیام رسان های کاملی از منابع پرتوهای کیهانی هستند.

بالاترین انرژی‌ترین منابع نوترینویی که ما کشف کرده‌ایم از هسته‌های فعال کهکشانی می‌آیند که حاوی سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم هستند. و تیمی که Díaz Vélez بخشی از آن است، چنین نوترینوهایی را در تأسیساتی واقع در قطب جنوب جغرافیایی به نام رصدخانه نوترینو IceCube شناسایی کرده است - هیچ ارتباطی با خواننده رپ معروف ندارد.

این رصدخانه دارای مجموعه ای از 5160 حسگر نوری است که در اعماق زمین مدفون شده اند و 1 کیلومتر مکعب یخ را پوشش می دهند. دیاز ولز که همچنین در ساخت IceCube در سال 20 شرکت داشته است، می گوید: صفحه یخی قطب جنوب در عمق 1.5 کیلومتری بسیار شفاف است، بنابراین حسگرها می توانند نور تولید شده توسط ذرات زیراتمی به نام میون را که در نتیجه برهمکنش های نادر بین نوترینوها و اتم های یخ تولید می شوند، تشخیص دهند.

این رصدخانه سال بعد شروع به کار کرد. اولین کشف بزرگ این پروژه، شناسایی نوترینوها از منابع اخترفیزیکی خارج از منظومه شمسی بود. یکی از قابل توجه ترین منابع TXS 0506+056 بود که با همکاری رصدخانه های دیگری که سیگنال های مختلف پرتو گاما، نوری و رادیویی را جمع آوری می کردند، قرار داشت. TXS 0506+056 یک blazar با انرژی بالا است، کهکشانی که بسیار درخشان به نظر می رسد و حول یک سیاهچاله بسیار پرجرم می چرخد.

محققان به دنبال اجرام دیگری با ویژگی های مشابه بودند و تأیید کردند که این دسته از منابع قادر به تولید نوترینوهای پرانرژی هستند. اخیرا آنها توانسته اند کهکشان راه شیری را به عنوان منبع پراکنده نوترینوها مشاهده کنند. علاوه بر نجوم، IceCube سهم قابل توجهی در درک ما از ماهیت و رفتار این ذرات داشته است. به عنوان مثال، سه نوع نوترینو شناخته شده است، و برندگان جایزه نوبل فیزیک سال گذشته کشف کردند که این ذرات می توانند در حین سفر از نوعی به نوع دیگر تبدیل شوند.

IceCube اندازه گیری دقیق و فزاینده ای از این پدیده را امکان پذیر کرده است. دیاز ولز می‌گوید: «یکی دیگر از حوزه‌های تحقیقاتی پرتوهای کیهانی است که من روی آن تمرکز می‌کنم. ما کشف کرده‌ایم که آنها به طور یکنواخت از همه جهات نمی‌آیند، بلکه از جهات ترجیحی می‌آیند، و این به ما در مورد توزیع منابع آنها در کهکشان می‌گوید.» پرتوهای کیهانی از پروتون ها و هسته های اتم های سنگین تر تشکیل شده اند و بخش بسیار بالایی از داده های پروژه را تشکیل می دهند. این محقق می گوید: «تشخیص یک نوترینو مانند جستجوی سوزن در انبار کاه است.

به ازای هر نوترینویی که IceCube شناسایی می کند، بیش از یک میلیون میون تولید شده توسط پرتوهای کیهانی شناسایی می شود. Díaz Vélez به عنوان هماهنگ کننده محصول برای همکاری IceCube، نظارت بر پردازش داده های تجربی و تولید شبیه سازی ها را بر عهده دارد. او می گوید: «این شامل محاسبه جهت ورود، انرژی و نوع ذره ای است که هر دو میلی ثانیه شناسایی می شود. ما همچنین باید پرتوهای کیهانی و نوترینوها را با سرعت های مشابه شبیه سازی کنیم.

هر دو کار به شبکه‌های محاسباتی با کارایی بالا نیاز دارند که در سراسر جهان توزیع شده‌اند، که در مجموع تقریبا 10000 هسته CPU و 1000 GPU دارند. این محقق خاطرنشان می کند که در حالی که پروژه IceCube در قطب جنوب و مقر آن در ویسکانسین است، یک همکاری بین المللی از 450 نفر در 58 موسسه در 14 کشور است.

بسیاری از دست اندرکاران این کار، دانشجویان کارشناسی ارشد و دکترا هستند، و اگرچه این جایزه تنها نام یک دانشمند را یدک می کشد، پشت آن نام، کار ده ها همکار نهفته است. دیاز ولز می گوید: «شایان ذکر است که فرانسیس یک شخصیت بزرگ و یک رهبر است، اما همچنین فردی بسیار دوستانه و سخاوتمند است. "به طور کلی، ما او را بیشتر به عنوان یک همکار می بینیم تا به عنوان یک رئیس. در واقع، اگر علاقه و فداکاری او نبود، این آزمایش هرگز موفق نمی شد." این داستان در اصل در WIRED en Español ظاهر شد و از اسپانیایی ترجمه شده است.