Иллюстрация, иллюстрирующая недавно открытый оптический эффект: без двойного лучепреломления (вверху) свет исходит радиально от изотропного источника света. При двойном лучепреломлении (внизу) свет медленно отклоняется к оси ледяного потока. Предоставлено: Джек Пайрин / IceCube Collaboration

Каждую секунду через тело человека проходит 100 триллионов нейтрино. Эти крошечные, почти безмассовые частицы преодолевают огромные расстояния в космосе, неся информацию о своих источниках, и создаются некоторыми из самых энергетических явлений во Вселенной. Но нейтрино невероятно сложно обнаружить, для этого требуется единственный в своем роде детектор, который может «видеть» эти почти невидимые частицы.

18 декабря 2010 года было завершено строительство нейтринной обсерватории IceCube, расположенной на Южном полюсе. Разработанный для поиска высокоэнергетических космических нейтрино, детектор состоит из массива из 5160 оптических датчиков, называемых цифровыми оптическими модулями (DOM), зарытых в кубический километр антарктического льда. Когда нейтрино взаимодействует с молекулой во льду, образующиеся вторичные заряженные частицы излучают синий свет в результате процесса, называемого черенковским излучением. Затем свет проходит сквозь лед и может достигать некоторых DOM, где он обнаруживается. Затем исследователи могут реконструировать энергию и направление частицы — процесс, основанный на знании оптических свойств льда.

В 2013 году коллаборация IceCube сообщила об уникальном наблюдении, когда наблюдаемая яркость источника света зависит от направления света, эффект, названный «оптической анизотропией льда ». До сих пор исследователи пытались описать анизотропию с помощью вариаций поглощения и рассеяния, вызванных примесями, но безуспешно.

В новом исследовании, представленном The Cryosphere, IceCube сообщает об оптическом эффекте, который ранее не был описан. Эффект является результатом двулучепреломляющих свойств удлиненных кристаллов льда, которые отклоняют свет в двух направлениях. Полученные новые знания были включены в новую оптическую модель льда на основе двойного лучепреломления, используемую в моделировании детектора, SpiceBFR, которая существенно улучшила интерпретацию световых паттернов, возникающих в результате взаимодействия частиц во льду.

«Оптическая модель льда, используемая коллаборацией IceCube, разрабатывалась с первых дней предшествующего эксперимента AMANDA», — сказал Дмитрий Чиркин, научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон. «Более 20 лет мы добавляли новые открытия к нашему пониманию льда, включая исчезновение захваченных пузырьков воздуха на глубинах значительно выше детектора и то, что на более глубоких глубинах ледяной щит Южного полюса содержит самый чистый лед на планете. Еще одно открытие - оптическая анизотропия льда, которая является основным предметом исследования, что было мотивировано новым пониманием в нашей статье ".

Чтобы улучшить предыдущие попытки описать анизотропию, сотрудники внимательно изучили эффект анизотропии, обнаружив корреляцию между глубинным развитием свойств кристаллов льда и эффектом анизотропии. Это навело исследователей на мысль, что множество случайно подобранных мелких кристаллов, составляющих лед, играют роль в наблюдаемой анизотропии.

«Все пошло в гору, когда мы поняли, что искривленные траектории фотонов с крошечными отклонениями в субградусы на метр смогут точно описать данные», — сказал доктор Мартин Ронген, исследователь из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) и руководитель исследования. «Действительно, при расчете и моделировании диффузии света через поликристаллический лед в IceCube, где кристаллы в среднем вытянуты вдоль направления потока льда, возникает среднее отклонение».

Для исследования запустили симуляции, которые смоделировали различные пути света, что может проходить внутри детектора. Затем они сравнили смоделированные данные с большим набором данных калибровки, взятым из IceCube. Набор калибровочных данных IceCube содержит данные от 60 000 светодиодов, которыми оборудованы все DOM,что излучают последовательные световые импульсы в лед, которые затем используются для калибровки оптических свойств льда. Из сравнения исследователи смогли сделать вывод о средней форме и размере кристаллов льда внутри IceCube. Это захватывающее новое открытие побуждает к созданию новых симуляций и адаптации текущих методов реконструкции для учета модели SpiceBFR.

Это новое понимание не только поможет IceCube улучшить реконструированные взаимодействия нейтрино, но также будет иметь значение для области гляциологии в целом. «Свойства кристаллов льда изучаются, в частности, для понимания механики течения льда, которую затем можно использовать для прогнозирования баланса массы Антарктики и, как следствие , повышения уровня моря в меняющемся климате», — сказал Ронген.