נייטרינו נכלל ב כאחד מהחלקיקים האלמנטריים ושייך לקבוצת הלפטונים והוא בעל מטען חשמלי נייטרלי ורק לעיתים רחוקות מגיב עם חומרים אחרים. כשנייטרינו כן מגיב עם מולקולת מים חלקיק חדש, שמטענו החשמלי זהה למטען האלקטרון אך מסתו שונה - מיואון או טאו (השייכים לקבוצת הלפטונים גם כן). טעון כמו אלקטרון, מיואון או טאו. הלפטונים הטעונים הללו יכולים לנוע בקרח במהירות הגבוהה יותר ממהירות הפאזה של אור אשר יעבור דרך אותו הקרח. זאת משום שכאשר האור נע בתוך הקרח הוא מאט במקצת אבל הלפטונים אינם מושפעים מהעובדה שהם זזים בקרח ולכן מהירותם גדולה יותר ממהירות האור. כאשר הלפטונים נעים בקרח במהירות הגבוה יותר ממהירות הפאזה של האור - הם פולטים קרינת צ'רנקוב אשר נקלטת על ידי החיישנים. האותות המתקבלים מועברים לפני השטח של הקרחון על ידי כבלים. האותות נאספים ונשלחים למתקן וחלקם נשלחים להמשך מחקר לניתוח נוסף באוניברסיטאות השותפות למחקר זה. ברגע שהמידע מועבר ניתן לשחזר את מסלול התנועה של הנייטרינו אשר הגיע ועבר דרך הגלאי. הגלאים של IceCube מסוגלים לזהות רק חלקיקי נייטרינו בעלי אנרגיה מינימלית של 1011 אלקטרון-וולט. כתוצאה מכך מה שהוזכר לפני לא יתרחש אם האנרגיה של חלקיק נייטרינו לא תעמוד בדרישות המינימליות.
בזמן פעולת הגלאי קיימים אתגרים המפריעים ומקשים על המחקר איתם יש להתמודד. לדוגמה, כשקרינה קוסמית פוגעת באטמוספירה מעל לחיישנים נוצרים חלקיקי מיואון אשר נקלטים בגלאי IceCube ומקשים על זיהוי המיואונים שמקורם בהתנגשות של נייטרינו במולקולת המים בקרח שלשמם נבנו גלאים אלו. בנוסף, מגיעים לגלאי גם נייטרינו אשר נובעים מקרינה קוסמית הפוגעת בקצה השני של כדור הארץ. על מנת להבדיל בין התופעות השונות בודקים את האנרגיה והכיוון של התוצרים של הנייטרינו אחרי ההתנגשות. אם יש יותר אנרגיה מהמצופה או שהכיוון במרחב הוא יוצא דופן, ניתן לדעת שמקורו של הנייטרינו הוא מחוץ לכדור הארץ.
מטרות הניסוי.
מקורות נקודתיים של נייטרינו בעלי אנרגיות גבוהות.
מקור של נויטרינו בעלי אנרגיה גבוה יכול להסביר את המקור של הקרינה הקוסמית בעלת האנרגיה הגבוה ביותר. לקרינה זו יש כל כך הרבה אנרגיה שהשדה המגנטי של גלקסיות לא מסוגל להכיל אותן, ולכן מניחים שהן מגיעות ממקור אחר. ההשערה התאורטית היא שהמקורות הללו, אשר יכולים ליצור קרינה קוסמית כזאת, גם יצרו נויטרינו בעלי אנרגיה גבוהה שמסוגלים להגיע לכדור הארץ. לכן נייטרינו אלו יבצעו אינטראקציה עם הגלאי IceCube וניתן יהיה לחקור אותם.
התפרצויות של קרינת גמא אשר חופפות עם נייטרינו.
כאשר שני פוטונים מתנגשים זה עם זה או כאשר קבוצה של פוטונים מתנגשים הם יוצרים פאיונים. פאיונים טעונים מתפרקים למיואונים ולמיואון נייטרינו ואילו פאיונים טבעיים (אשר לא נוצרו מהתנגשות פוטונים) מתפרקים והופכים לקרינת גמא. קיימת אפשרות ששטף של קרינת גמא יחפוף לשטף של נייטרינו במקורות מסוימים כגון, התפרצויות של קרינת גמא ושאריות של סופרנובה. תופעה זו תוכל לשפוך אור על אופייה החמקמק של ההתפרצויות של קרינת גמא.
תנודת נייטרינו.
הגלאי IceCube מסוגל לזהות גם את תנודותיהם של נייטרינו שמקורם בקרינה הקוסמית. הגלאי מסוגל לזהות רק נייטרינו אשר יש להם אנרגיה של לפחות 25 ג'יגה-אלקטרון-וולט. ככל שהזמן עובר כך מתקבל עוד ועוד מידע על תנודת האלקטרונים וכתוצאה מכך IceCube יוכל לדייק יותר במדידותיו ואולי אפילו למצוא את המסה המדויקת של שלושת חלקיקי הנייטרינו השונים (אלקטרון נייטרינו, מיואון נייטרינו ותאו נייטרינו).
חיפוש אחר חומר אפל.
Weakly interacting massive particle) ), חומר אפל יכול להילכד על ידי כוח המשיכה של גרמי שמיים אשר בעלי מסות גבוהות כמו השמש ולהצטבר במרכזה. אם ריכוז החומר מספיק גבוה הם יתחילו לעבור איון. כתוצאה מכך עשויים להיווצר חלקיקי נויטרינו. הגלאי IceCube יוכל לזהות את התופעה הזו מכיוון שבמקרה שכזה הוא יקלוט יותר חלקיקי נויטרינו מכיוון השמש מבדרך כלל.
סופרנובה.
IceCube הוא חלק ממערכת ההתראה מפני סופרנובות. הגלאי מסוגל לזהות רק סופרנובות שנמצאות בתוך הגלקסיה שלנו משום שלנויטרינו שלהן יש רמת אנרגיה גבוה מספיק כדי שהגלאי יוכל לגלות. בניגוד לנויטרינו של סופרנובות רחוקות שהם בעלי רמת אנרגיה נמוכה מידי.
תוצאות.
הארגון פרסם מאמרים על המגבלות של זרימת הנויטרינו ממקורות, התפרצויות גמא והשמדת נויטרינו בשמש.
ב-2013 זוהו שני נויטרינו אשר רמת האנרגיה שלהם היא הגבוהה ביותר שאי-פעם התגלתה. לנויטרינו הללו קראו ו (בעברית אריק ובנץ) על שם הדמויות מתוכנית הטלוויזיה לילדים "רחוב סומסום". באותה שנה התגלה חלקיק נוסף שרמת האנרגיה שלו הייתה גדולה אף יותר משל השניים הקודמים והוא נקרא על שם דמות נוספת מרחוב סומסום - ציפורת.
ניסוי ALICE
ALICE (מבוטא אליס; ראשי תיבות: A Large Ion Collider Experiment - ניסוי גדול בהתנגשות יונים) הוא גלאי יונים שבעזרתו נערך ניסוי בפיזיקת חלקיקים שמטרתו להבין את שהתרחש מיקרו-שניות ספורות לאחר המפץ הגדול. גלאי זה הוא אחד משבעת הגלאים הנמצאים לאורך המאיץ LHC (מנגיש הדרונים גדול) שהוא מאיץ החלקיקים הגדול בעולם וממוקם במרכז המחקר לפיזיקת חלקיקים CERN על גבול שווייץ-צרפת. הניסוי שנערך בALICE החל בשנת 2005 ונמשך עד היום. הוא כרוך בשיתוף פעולה בין-לאומי של יותר מ-1500 פיזיקאים, מהנדסים, טכנאים וסטודנטים בוגרים מ-154 מוסדות פיזיקליים בעולם מ-37 מדינות.
תופעת התנגשות החלקיקים בגלאי.
בניגוד לשאר הניסויים המתבצעים בCERN שבהם משתמשים באלומות פרוטונים המתנגשות זו בזו, בניסוי זה ישנו שימוש באלומות של יוני עופרת. זאת משום שהעופרת היא אחד מהיסודות הכבדים ביותר בטבע וכך כאשר מופרדים האלקטרונים מגרעיני העופרת, מתקבלים יונים בעלי מטען חיובי שמסתם גדולה מאוד. מסתם הגדולה מאפשרת אנרגיית התנגשות גבוהה ביותר - האנרגיה הכוללת של התנגשויות יוני העופרת יכולה להגיע ל-1150 טרה-אלקטרון-וולט, אשר מרוכזת בנפח מצומצם ביותר בתוך הגלאי. יונים אלו מואצים בLHC במהירויות נמוכות יותר ממהירויות אלומת הפרוטונים עקב מסתם הגדולה יחסית, אך בכל זאת מהירותם קרובה למהירות האור. התנגשות זו אשר מתרחשת בALICE בין יוני העופרת הכבדים יוצרת בטמפרטורה גבוהה מאוד פלסמת חלקיקים ("מרק קוורקים") העשויה מקווקרים וגלואונים. בדרך כלל הקוורקים שהם חלקיקי יסוד המרכיבים את הפרוטונים והנייטרונים (נוקליאונים) כלואים בתוכם עקב הכוח החזק אשר נישא על ידי גלואונים. אולם, בתנאים קיצוניים של טמפרטורה גבוהה מאוד (2 מיליארד מעלות צליוס - פי מאה אלף ויותר מהטמפרטורה במרכז השמש) ולחץ גבוה כפי שהתקיימו ביקום הקדום יכולה להיווצר פלזמת קווארקים-גלואונים. ניסוי ALICE נחשב על כן לניסוי המנסה להתחקות אחר מה שאירע מספר מיקרו-שניות לאחר המפץ הגדול, שכן בניסוי זה רוצים ליצור פלזמה זו.
מטרות הגלאי.
מטרת הפיזיקאים המשתתפים בניסוי היא ליצור באופן חוזר ונשנה פלסמת קוורקים וגלואונים לפרקי זמן קצרים ביותר בנפח שגודלו כגרעין האטום. ציפייתם היא לקבל מידע על תהליך שעד כה מובן רק על פי מודלים מתמטיים – תהליך כליאת קוורקים, לגלות חלק מתכונותיו של המרחב כאשר הוא ריק לחלוטין (מאחר שהפלזמה שנוצרת פתאום נעלמת במהרה גם כן וכך נוצר מרחב ריק), להבין כיצד נוצרים חלקיקים מסיביים בהשפעתו של הכוח החזק, למצוא את הסיבה לכך שמשקלם של הפרוטונים והנייטרונים גדול פי 100 ממשקל כל הקוורקים הנמצאים בהם, וכן לגלות מהם גבולותיו של תהליך הכליאה והאם אפשר לשבור תהליך זה במצבים מסוימים.
מבנה הגלאי.
הגלאי ALICE מורכב ממספר חלקים אשר בעזרתם ניתן לבחון את תוצאות הניסויים וכך להתקרב לתגליות אשר לשמן פותח הגלאי:
Zero Degree Calorimeter) ZDC's).
קלורימטרים הממוקמים ב-2 צדדיו של הגלאי המודדים ניטרונים ופרוטונים הנוצרים בהתנגשות. הקלורימטרים יוצרים עם מוקד ההתנגשות קו ישר בדיוק, לכן קוראים להם "קלורימטרים אפס מעלות", והם מודדים את האנרגיה של הנוקלאונים הנוצרים בהתנגשות. בעקבות זאת ניתן לגלות בדיוק את מיקום ההתנגשות. הForward Multiply Detector) FMD), הT0 והV0 מודדים את מספר החלקיקים המופיעים, ובנוסף לכך T0 מודד את הזמן המדויק של האירוע.
ITS Pixels, ITS Drift, ITS Strips, (Time Projecting Champer) TPC.
חלקים האחראיים על מדידת מיקומים רבים של החלקיקים אשר נושאים מטען חשמלי בתנועתם, כך שמסלולם נקבע באופן מדויק. בגלאי משתמשים בזרמים חשמליים ליצירת שדה מגנטי אשר מטרתו לעקם את מסלול תנועת החלקיקים הנוצרים בהתנגשות, וזאת על מנת למדוד את התנע של חלקיקים אלו וכן את סימן המטען החשמלי שלהם. הדיוק הגדול של הITS, דיוק של עשירית המילימטר, מאפשר לראות אף את השינוי במסלולם של חלקיקים הנוצרים מדעיכה של חלקיקים אחרים (ניתן להסיק כי אלו אינם נוצרו ישירות מן ההתנגשות עקב זמן חייהם הקצר).
יעד נוסף של ALICE הוא לגלות את זהותו של החלקיק - האם הוא אלקטרון, פרוטון, קאון או פאיון. לשם כך יש צורך באינפורמציה נוספת מזו שמתקבלת מהITS ומהTPC, אינפורמציה אשר מתקבלת מחלקים נוספים בגלאי:
Time of Flight) TOF).
חלק זה מטרתו למדוד את הזמן שלוקח לחלקיק בתנועתו מכניסתו לחלק זה של הגלאי ועד לקצה מסלולו. בעזרת מדידה זו ניתן לחשב את מהירות החלקיק בדיוק הקטן מעשר מיליוניות השנייה.
High Momentum Particle Identification Detector) HMPID).
חלק המודד את הפוטונים הנוצרים בעקבות מעבר של חלקיקים טעונים הנעים במהירות גבוהה דרך חומר פרפלורוהקסנה C6F14 Perfluorohexane.