Jay von 凹非寺
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Soeben wurde der Nobelpreis für Physik verkündet.
Diesmal gab es keinerlei Teilung, der Preisträger ist nur eine Person: von der University of Wisconsin–Madison in den USA stammtFrancis Halzen(Francis Halzen).
Falls du diese Universität nicht kennst, kennst du sicher einen bekannten Alumnus aus dem Bereich chinesischer Tech und Internet –
den Pinduoduo-Gründer,Huang Zheng。
Also, wofür genau erhält Francis den Preis?
Die offizielle Begründung lautet:
für seine entscheidenden Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium im antarktischen Eis sowie für die Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs.
Konkret hat er die 2000 und mehr Meter unter der antarktischen Erde liegende1 Kubikkilometergroße Schicht aus reinem Eis kurzerhand in ein Super-Teleskop zur Einfangung geisterhafter Teilchen aus dem Kosmos verwandelt.Heutzutage gibt es sogar ein Hochland in der Antarktis, das nach ihm benannt ist und。。。
Halzen Mesaheißt.。
Warum fängt man „Geister“ im tiefen Eis der Antarktis?
Im Universum gibt es seit langem ein ultimatives Rätsel, das die Physik seit hundert Jahren beschäftigt: Woher werden jene kosmischen Strahlen mit absurd hoher Energie ausgesandt?
Im Kosmos existieren natürliche Teilchenbeschleuniger, deren ausgestoßene Protonen eine um das Millionfache höhere Energie haben als die stärksten Beschleuniger in irdischen Laboratorien. Aber Protonen sind elektrisch geladen und werden beim Rausen durch das Universum von interstellaren Magnetfeldern stark verwirbelt; wenn sie auf der Erde ankommen, kann niemand mehr erkennen, aus welcher Richtung sie stammen.
Wie lässt sich die wahre Quelle finden?
Die Physiker richteten ihren Blick auf die Neutrinos.
Neutrinos sind die schüchternsten Teilchen des Universums: ungeladen und mit winziger Masse. Jede Sekunde durchqueren65 MilliardenNeutrinos aus der Sonne deinen Daumennagel, ohne dass du es spürst.
Dort, wo hochenergetische Protonen beschleunigt werden, entstehen oft auch hochenergetische Neutrinos. Neutrinos sind ungeladen, werden nicht von Magnetfeldern abgelenkt und nicht von interstellarem Staub aufgehalten – wie ein gerades Fadenkreuz zeigen sie direkt auf ihren Ursprungsort in den Tiefen des Kosmos.
Aber wie fängt man sie?
Gelegentlich stoßen Neutrinos mit Atomkernen zusammen, erzeugen geladene Teilchen und senden ein äußerst schwaches blaues Licht aus. Wenn das Medium nur transparent und groß genug ist, kann man ihre Spur mit lichtempfindlichen Sensoren aufzeichnen.
Tiefsee ist zwar transparent, aber darin gibt es lebhaft leuchtende Biolumineszenz, zudem stören Meeresströmungen. Halzen schlug in den 1980er Jahren eine kühne Idee vor: Ab in die Antarktis, um das natürliche Eis zu nutzen!
Mit heißem Wasser einen 2,5 Kilometer tiefen Bohrloch schmelzen und ein riesiges unterirdisches Eis-Auge von 1 Kubikkilometer erschaffen
Teilchen im eisigen Schnee der Antarktis zu fangen, klingt wie ein Märchen.
Die Eisgebilde im tiefen Inneren der Antarktis befinden sich völlig im Dunkeln, keine Meereslebewesen stören, die geologische Struktur ist äußerst stabil, keine Erdbeben machen Probleme. Die einzige echte Kopfschmerzaufgabe lautet: Wie bringt man die Sensoren in einen über 2000 Meter dicken Gletscher hinein?
Das Forschungsteam kam auf eine äußerst raffinierte Methode: Mit speziellen Heißwasserbohrköpfen schmolz es in das antarktische Eis tiefe Löcher von über 2000 Metern Tiefe und ließ dann Kabel, die mit lichtempfindlichen Sensoren bestückt waren, rasch in das Eiswasser hinab.
Halzen beschreibt diese Sensoren als umgekehrte Glühbirnen: Sie sind nicht dafür zuständig, Licht zu erzeugen, sondern dafür, schwache Lichtsignale einzufangen und in elektrische Signale umzuwandeln.
Als das frühe Pilotexperiment AMANDA gerade gestartet war, waren alle nervös. Das Eis in geringer Tiefe war voller winziger Bläschen, und Licht, das hineinfiel, wurde regelrecht zersplittert gestreut.
Aber wenn der Bohrkopf bis hinabtaucht zu1400 MeterWenn es unter denen liegt, ist es erstaunlich – der hohe Druck zerquetscht und drückt alle Blasen heraus, und die darunter lieende Eisschicht ist staunenswert rein und transparent. Das blaue Licht, das durch Neutrino-Kollisionen entsteht, kann sich im Eis sogar über_entfernen.300 Meterwurde erst kürzlich absorbiert!
Nachdem die Machbarkeit bestätigt war, nahm IceCube offiziell die Arbeit auf.
Als der gesamte IceCube 2011 fertiggestellt war, befand er sich tief unter dem antarktischen Eis begraben1450 bis 2450 Meterzwischen ihnen, von86 Kabel、5160 optische Sensorenzusammensetzten, und nahmen die gesamten genau1 Kubikkilometer„…der natürliche Gletscher wurde zu einem noch nie dagewesenen Neutrino-Teleskop."
Fang des kosmischen Geistes öffnet eine völlig neue Tür in die Astronomie
Mit diesem riesigen Teleskop bleibt die Suche nach Signalen aus dem Tiefraum trotzdem wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen.
Jeden Tag passieren mehr als eine Milliarde kosmischer Strahlenteilchen aus der Atmosphäre über der Antarktis die Detektoren, und dazu kommen hunderte Neutrinos, die durch die Erdkruste aus der Atmosphäre der anderen Erdseite herandringen.
Es ist eine extrem schwierige Aufgabe bei der Datenverarbeitung, aus einer riesigen Menge an Hintergrundrauschen die hochenergetischen Neutrinos herauszufiltern, die wirklich aus dem fernen Universum stammen.
2013, gab das IceCube-Team schließlich bekannt, dass es erstmals eindeutig hochenergetische kosmische Neutrinos von außerhalb des Sonnensystems eingefangen hat. Dieser Durchbruch errang direkt den renommierten „Physics World“-Durchbruch des Jahres-Preis.
In den darauffolgenden Jahren tauchten nacheinander entscheidende Beweise auf:
Wissenschaftler im aktiven GalaxieNGC 1068In Richtung von (M77) wurden 79 Neutrinokandidatensignale registriert, wodurch eine mögliche extreme astrophysikalische Quelle lokalisiert wurde.
Im Jahr 2023 erstellte das IceCube-Team erstmals ein Bild hochenergetischer Neutrinos der Ebene der Milchstraße, sodass die Menschheit zum ersten Mal durch die Augen der Neutrinos das vollständige Bild der Milchstraße sehen konnte.
Nachdem die Astronomie sichtbares Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlen und Gravitationswellen durchlaufen hat, wurde das Tor zur Astronomie hochenergetischer Neutrinos vollständig aufgestoßen.
Der Nobelpreisträger: Von der Hadronenphysik zum Bau eines Teleskops unter dem Eis
Der Physiker Francis Halzen, der den Nobelpreis für Physik allein erhielt, ist in diesem Jahr 82 Jahre alt.
Er wurde 1944 in Tienen, Belgien, geboren und promovierte 1969 an der Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven) in Belgien; in seinen frühen Jahren befasste er sich hauptsächlich mit aus Quarks aufgebauten schweren Teilchen und der Symmetriebrechung in der Hadronenphysik.
Nach Abschluss seiner Postdoktorandenforschung ging er an die University of Wisconsin–Madison in den USA und lehrte dort ab 1972 langfristig als Professor am Fachbereich Physik.
Er hat gemeinsam mit anderen das klassische Lehrbuch „Quarks and Leptons" mitverfasst, das Generationen von Teilchenphysik-Studierenden weltweit auf ihrem Weg begleitet hat.