IceCube Neutrino Observatory, ett kubikkilometerstort neutrinoteleskop på Sydpolen, har observerat en ny sorts astrofysisk budbärare. I en ny studie som nyligen godkändes för publicering som ett redaktörsförslag av tidskriften Physical Review Letters och tillgänglig på arXiv preprint-servern, IceCube-samarbetet, inklusive forskare från Penn State, presenterade upptäckten av sju av de en gång svårfångade astrofysiska tau-neutrinerna.
Neutrinos är små, svagt samverkande subatomära partiklar som kan resa astronomiska avstånd ostört. Som sådana kan de spåras tillbaka till sina källor, och avslöjar mysterierna med deras kosmiska ursprung. Högenergineutriner som härstammar från de längsta delarna bortom vår galax kallas astrofysiska neutriner. Dessa kosmiska budbärare finns i tre olika smaker:elektron, muon och tau, med astrofysiska tau-neutriner som är exceptionellt svåra att fastställa.
"Under 2013 presenterade IceCube sina första bevis på astrofysiska neutriner med hög energi som härstammar från kosmiska acceleratorer, vilket inledde en ny era inom astronomi", säger Doug Cowen, professor i fysik och i astronomi och astrofysik vid Eberly College of Science i Penn State och en av studieledarna. "Denna spännande nya upptäckt kommer med den spännande möjligheten att utnyttja tau-neutriner för att avslöja ny fysik."
IceCube upptäcker neutriner med hjälp av strängar av digitala optiska moduler (DOM), med totalt 5 160 DOM:er inbäddade djupt i den antarktiska isen. När neutriner interagerar med kärnor i isen produceras laddade partiklar som avger blått ljus – som registreras och digitaliseras av de individuella DOM:erna – medan de färdas genom isen. Ljuset producerar distinkta mönster. Ett av dessa mönster, som kallas dubbla kaskadhändelser, indikerar högenergitau-neutrino-interaktioner i detektorn.
Tidigare IceCube-analyser såg antydningar om dessa subtila signaturer producerade av astrofysiska tau-neutriner, så forskarna förblev motiverade att peka ut dessa svårfångade partiklar. Forskarna återgav data från varje potentiell tau-neutrino-händelse till bilder och tränade sedan konvolutionella neurala nätverk (CNN), en typ av maskininlärningsalgoritm optimerad för bildklassificering, på bilderna.
Detta gjorde det möjligt för forskarna att skilja bilder producerade av tau neutrinos från bilder producerade av olika bakgrunder. Efter att ha kört simuleringar som bekräftade dess känslighet för tau-neutrinos, tillämpades tekniken sedan på 10 år av IceCube-data som förvärvats mellan 2011 och 2020. Resultatet var sju starka kandidat-tau-neutrinohändelser.
"Detekteringen av sju kandidat-tau-neutrino-händelser i data, i kombination med den mycket låga mängden förväntad bakgrund, gör att vi kan hävda att det är högst osannolikt att bakgrunder konspirerar för att producera sju tau-neutrino-bedragare," sa Cowen. "Eftersom tau neutrinos vid de observerade energierna endast kan produceras av astrofysiska källor, ger deras upptäckt också en stark bekräftelse på IceCubes tidigare upptäckt av det astrofysiska neutrinoflödet."
Cowen tillade att sannolikheten för att bakgrunden efterliknar signalen uppskattades vara mindre än 1 på 3,5 miljoner, vilket motsvarar en signifikans på mer än fem sigma, betraktad som den statistiska guldstandarden för nya upptäckter inom fysik.
Framtida analyser kommer att inkludera fler av IceCubes strängar, eftersom denna studie bara använde de tre mest upplysta. En sådan ny analys skulle öka provet av tau-neutrinos som sedan kan användas för att utföra den första tre-smakstudien av fenomenet där neutriner ändrar smaker – kallade neutrinoscillationer – över kosmologiska avstånd. Den här typen av studier kan ta upp frågor som mekanismen för neutrinoproduktion från astrofysiska källor och egenskaperna hos själva rymden genom vilka neutriner färdas, sa forskare.
För närvarande finns det inget verktyg specifikt utformat för att bestämma energin och riktningen för tau-neutriner som producerar signaturerna som ses i denna analys. En sådan algoritm skulle kunna användas i realtid för att bättre differentiera en potentiell tau-neutrinosignal från bakgrunden och för att hjälpa till att identifiera kandidat-tau-neutrinos på Sydpolen. I likhet med aktuella IceCube-varningar i realtid som utfärdats för andra neutrinotyper, kan varningar för tau-neutrinos utfärdas till den astronomiska gemenskapen för uppföljningsstudier.
Cirka 300 fysiker från 59 institutioner i 14 länder utgör IceCube-samarbetet. Förutom Cowen inkluderar Penn State-författarna till studien Derek Fox, docent i astronomi och astrofysik; postdoktorala forskarna Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton och Jan Weldert; och doktorand Daria V. Pankova.
Mer information: Observation av sju astrofysiska Tau Neutrinokandidater med IceCube, arXiv (2024). DOI:10.48550/arXiv.2403.02516
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
