Az IceCube Neutrino Observatory az egyik legkülönösebb csillagászati műszer, amit az emberiség valaha épített. Nem hegytetőn áll, nem az űrben kering, hanem az Antarktisz jege alá van eltemetve, a mérete pedig egy teljes köbkilométer, ami nagyjából 300–400 ezer olimpiai úszómedencének felel meg.

A detektor első sorban nagy energiájú kozmikus eredetű neutrínók észlelésére szolgál. A neutrínók elektromosan semleges, rendkívül kis tömegű elemi részecskék, amik nagyon gyengén hatnak kölcsön az anyaggal: nem vesznek részt sem az elektromágneses, sem az erős kölcsönhatásban. Ez utóbbi kölcsönhatás az, ami nélkül nem léteznének atommagok. Emiatt a neutrínók szinte akadálytalanul haladnak át mindenen: csillagokon, bolygókon, sőt a mi testünkön is. Csak a Napból érkező neutrínókból minden másodpercben körülbelül 60 milliárd halad át testünk minden egyes négyzetcentiméterén, például egy ujjunk körmén.

A neutrínókat éppen ezért rendkívül nehéz detektálni, viszont pontosan ez az oka annak is, hogy igen tiszta információt hordoznak a forrásukról, hiszen út közben nem téríti el őket mágneses tér, és áthatolnak sűrű anyagon is, így általuk nyílegyenesen betekinthetünk extrém asztrofizikai folyamatok és objektumok belsejébe. Ha pedig sikerül egy neutrínót úgy detektálni, hogy a forrás iránya is meghatározható, akkor ez lehetővé teszi számunkra, hogy az elektromágneses tartományban végzett megfigyelésekkel, sőt akár a gravitációshullám-mérésekkel is összevessük az észlelést, ami a jelenségek még pontosabb megértését teszi lehetővé számunkra.

Mivel a neutrínók kölcsönhatása rendkívül ritka, a detektálásukhoz az szükséges, hogy egy neutrínó ténylegesen telibe találjon egy másik részecskét az anyagban – márpedig a részecskék nagyon kicsik. Ezért aztán a detektáláshoz óriási térfogatot kell megfigyelni, és még egy köbkilométernyi közeg esetén is csak évente néhány kölcsönhatási esemény elkapására van lehetőség.

De miért éppen az Antarktiszon, és azon belül is miért a Déli-sarkon helyezkedik el ez a detektor? Ennek több oka is van. Az antarktiszi mélyjég kivételesen tiszta, buborékmentes és rendkívül stabil, ráadásul sötét, hiszen nincs városi fény. A Déli-sark földrajzi helyzete is különleges: a detektor így a Földdel együtt forog, de nem billeg az égbolthoz képest, ami leegyszerűsíti a geometriai és statisztikai elemzéseket, valamint segíti a háttérzaj kezelését is.

Amikor egy neutrínó kölcsönhat a jég atomjaival, rövid fényfelvillanás – úgynevezett Cserenkov-sugárzás keletkezik. Az IceCube ezt a fényt figyeli. A detektor érzékelői, az úgynevezett DOM-ok (Digital Optical Module), nincsenek sűrűn egymás mellé pakolva: több mint 5000 darab található belőlük, hosszú, függőleges kábelekre felfűzve, 1450–2450 méter mélységben. Ez elsőre ritkának tűnhet, de a nagy energiájú részecskék által keltett fény a tiszta jégben akár több száz méterre is eljut, így nincs szükség sűrű detektorrácsra. A telepítés 2005 és 2010 között zajlott: forró vizes fúrókkal mély, keskeny lyukakat olvasztottak a jégbe, ezekbe engedték le a DOM-okat, majd a jég visszafagyott körülöttük. Az obszervatórium 2011 óta teljes kapacitással működik.

Az IceCube egy nemzetközi együttműködés, amiben 58 intézmény és 14 ország vesz részt. A helyszínen mindössze két IceCube-hoz kötődő szakember telel át egész évben, főként az adatgyűjtő és adatfelvételi rendszerek karbantartása miatt. Maga az adatfeldolgozás nagyrészt távolról, a világ különböző pontjain történik.

A lehetséges detektálható forrásokat illetően fontos megjegyezni, hogy a detektort alapvetően nagy energiájú (∼100 GeV feletti) neutrínók észlelésére tervezték. Ebbe a tartományba a Nap fúziós folyamataiból származó neutrínók jellemzően nem esnek bele, mivel azok MeV energiájúak. Ugyanakkor a kozmikus sugárzás hatására a Föld légkörében is keletkeznek nagy energiájú neutrínók; ezek adják az alacsony-közepes energiájú események többségét, amelyeket sok elemzésben háttérzajként kezelnek, mivel eredetük viszonylag jól ismert. Amire a detektor igazán „vadászik”, azok a galaktikus forrásokból – például szupernóva-maradványokból vagy pulzárokból (mágneses térrel rendelkező gyorsan forgó neutroncsillag) – származó neutrínók a TeV-es energiatartományban, valamint az extragalaktikus források, mint az aktív galaxismagok (AGN-ek), blazárok és gamma-kitörések (GRB-k). Emellett léteznek még olyan különleges, spekulatív lehetőségek is, amelyekre eddig nincs egyértelmű bizonyíték, de amelyekre az IceCube mérései korlátokat tudnak adni, például sötét anyag bomlása, kozmikus húrok, illetve az ősrobbanás esetleges maradványfolyamatai.

283. feladvány: Dátumszámjegy gyakoriságok

A fentiekben ismertetett IceCube detektálásai elég jó közelítéssel nevezhetők véletlen folyamatnak. Az IceCube nagyjából 30 eseményt észlel évente. Ha feltételezzük, hogy ezek a ritka események időben egyenletes eloszlásúak, vagyis nincsenek kitüntetett időszakok, akkor lesz-e különbség az események dátumában a naphoz tartozó számokban szereplő 0-ás és 9-es számjegyek gyakorisága között hosszú távon? A szóban forgó számok értékei tehát az 1-től 31-ig terjedő számok lehetnek, az egyjegyű dátumok elé nem írunk 0-t.

Ha szereted a fejtörőket, tekintsd meg korábbi feladványainkat is! Ha megjegyzésed lenne, vagy feladványt javasolnál, írj az eszventura@qubit.hu e-mail címre! Ha pedig tetszik a rovat, ezt a Vendégkönyvben kifejezésre juttathatod.

Az Ész Ventura feladványügyi rovat gazdája: Gáspár Merse Előd fizikus, kognitív kutató, társasjáték-fejlesztő és bűvész.