Forskare vid IceCube Neutrino Observatory i Antarktis har hittat sju signaler som potentiellt kan indikera tau-neutriner – som är kända som svåra att upptäcka – från astrofysiska objekt.
Neutrinos är några av de mest svårfångade partiklarna att upptäcka på grund av deras extremt låga massa och svaga interaktioner med materia. En av anledningarna till att forskare är intresserade av dessa partiklar är deras förmåga att resa långa sträckor, vilket innebär att de kan hålla information om astrofysiska processer och objekt som händer långt borta från oss.
IceCube-samarbetet syftar till att studera dessa neutriner genom att observera spåret de lämnar när de interagerar eller korsar isen på detektorerna.
Denna studie, publicerad i Physical Review Letters , beskriver hur IceCube har observerat signaler från neutriner, varav sju kan vara tau-neutrinon.
Forskarna använde konvolutionella neurala nätverk (CNN) för att sålla igenom 9,7 års data som samlats in av observatoriet på Sydpolen. Deras främsta utmaning var att skilja mellan de tre "smakerna" av neutrinos, som alla lämnar efter sig liknande signaler.
Neutrinon finns i tre varianter, eller smaker, som de är kända inom forskarvärlden:elektronneutrino, myonneutrino och tau-neutrino. De är de vanligaste partiklarna med massa i universum, eftersom 100 biljoner av dem passerar genom din kropp varje sekund!
Men som tidigare nämnt är de notoriskt svåra att upptäcka, och det är ännu svårare att skilja mellan smakerna.
"Jämfört med andra partiklar är isolering av neutriner särskilt utmanande på grund av deras svaga interaktioner med materia. Tau-neutriner kan lätt efterlikna elektron- eller myonneutriner, de andra två kända smakerna av neutrinon, så att isolera dem är ännu mer utmanande", förklarade Prof. Doug Cowen från Penn State till Phys.org, en av studiens medförfattare.
IceCube Neutrino Observatory består av tusentals optiska sensorer under is spridda över en kubikkilometer vid Sydpolen. När neutrinerna passerar över isen på detektorerna lämnar de två typer av spår:spår och kaskader.
Hur ser man skillnaden?
Spår är den vanligaste typen av mönster som lämnas kvar när muonneutriner kolliderar med isen, och de är raka linjer av fotoner.
Kaskader, å andra sidan, är mindre vanliga. Dessa mönster består av två blippar eller ljusa fläckar på grund av den initiala interaktionen med isen och den efterföljande fördröjningen till en elektron- eller tau-partikel.
"En elektronneutrino gör en andra boll av ljus så nära den första att IceCube upptäcker dem som en enda boll. Däremot kan en tau-neutrino färdas cirka 10 meter innan den sönderfaller, vilket gör en andra ljuskula som IceCube kan urskilja från den första", sa Prof. Cowen.
Utmaningen är att mönstren ser väldigt lika ut på detektorerna, vilket gör dem svåra att urskilja. Denna tvetydighet fick forskarna att använda CNN för att, som Prof. Cowen uttryckte det, "hantera de otaliga mönster som tau-neutriner kan producera."
"CNN har utformats för att skilja bilder, som bilder på hundar, från bilder på katter och för att göra det för olika raser, olika bakgrunder, olika ljus och så vidare", förklarade Prof. Cowen.
Detta gjorde dem till den perfekta kandidaten att sålla igenom data som samlats in av IceCube Neutrino Observatory och identifiera signaler som tillhör tau neutrinon.
För att träna nätverket använde forskarna simuleringsdata, som inkluderade olika mönster som motsvarar tau-neutrino-interaktioner och bakgrundsljud.
I detta sammanhang hänvisar bakgrundsbruset till signaler som kan orsakas av andra astrofysiska källor men som nära efterliknar egenskaperna hos tau-neutrino.
Genom att utbilda CNN på tau-neutrino-signaler och bakgrundsljud, syftade forskarna till att utveckla en modell som kan särskilja äkta tau-neutrino-signaler från andra källor.
"Med över 100 miljoner inlärningsbara parametrar kunde våra CNN extrahera alla tau-neutrino-nålar från höstacken av bakgrunder", sa Prof. Cowen.
Forskarna förväntade sig att se sex tau-neutriner men det slutade med att de såg sju. Detta är en fortsättning på deras arbete 2013 när IceCube framgångsrikt identifierade hundratals muonneutrino och en elektron-anti-neutrino från ett svart hål.
Deras analys bekräftade att alla smaker av neutriner uppförde sig som förväntat även efter att ha rest astronomiska avstånd och vid extremt höga energier, där var och en av de sju hade 20 TeV energi eller högre. Som referens är 1 TeV ekvivalent med rörelseenergin hos en flygande mygga.
"Vi kan vara säkra på att våra sju tau-neutriner kom från astrofysiska källor eftersom källor för neutriner på jorden, liksom atmosfären, inte kan producera tau-neutriner i denna energiskala. De sju tau-neutrinerna ger alltså en kraftfull bekräftelse på 2013 års upptäckt av IceCube av astrofysiska neutriner", sa Prof. Cowen.
Det faktum att alla tre neutrinosmaker bekräftades är signifikant. Detta beror på att neutrinos har förmågan att växla mellan smaker när de reser genom rymden, ett fenomen som kallas neutrinoscillationer.
Det är bara första gången som forskare har kunnat bekräfta att neutrinoscillationer sker vid så höga energier och långa avstånd.
Även om forskarna inte kan säga med 100% säkerhet att de sju signalerna är tau-neutriner, är de säkra på sina förutsägelser. Enligt deras statistiska analys finns det en chans på 3,5 miljoner att den observerade signalen beror på slumpmässiga fluktuationer i data.
"I grova drag har en av våra sju händelser 25 % chans att vara en astrofysisk elektron- eller myonneutrino och inte en tau-neutrino", tillade prof. Cowen.
En av de intressanta observationerna som forskarna gjorde var hur CNN:erna identifierade mönstren som lämnats av tau-neutrinerna. Det dubbla kaskadmönstret är en signatur för tau-neutriner och vad forskarna trodde att den känsliga analysen skulle förlita sig på.
Det de märkte var dock mycket mer intressant. Medan några av de sju signalerna hade detta signaturmönster, var det flera som inte hade det.
"Vi fastställde sedan att CNN faktiskt hade nollställt det övergripande mönstret av ljuset som produceras av de två ljuskulorna och var okänsligt för signalmönstret i individuella sensorer", förklarade Prof. Cowen.
Detta betyder att CNN:erna tittade på det övergripande mönstret, inklusive de närliggande fotonerna runt de två ljuspunkterna.
Relevansen av denna upptäckt sträcker sig hela vägen till ursprunget till själva högenergineutrinos.
"När vi förfinar våra tekniker för att hitta tau-neutriner och bestämma deras egenskaper från mönstren de producerar i vår detektor, förväntar vi oss att kunna använda deras pekförmåga för att söka efter astrofysiska källor, kanske upptäcka nya eller skärpa vår nuvarande bild av neutriner från det galaktiska centret", avslutade Prof. Cowen.
Mer information: R. Abbasi et al, Observation of Seven Astrophysical Tau Neutrino Candidates with IceCube, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.151001. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2403.02516
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
