IceCube identificerer syv astrofysiske tau-neutrinokandidater

IceCube Neutrino Observatory, et kubikkilometer stort neutrinoteleskop på Sydpolen, har observeret en ny slags astrofysisk budbringer. I en ny undersøgelse, der for nylig blev accepteret til offentliggørelse som et redaktørforslag af tidsskriftet Physical Review Letters og tilgængelig på arXiv preprint-server, IceCube-samarbejdet, inklusive Penn State-forskere, præsenterede opdagelsen af ​​syv af de engang undvigende astrofysiske tau-neutrinoer.

Neutrinoer er bittesmå, svagt interagerende subatomære partikler, der kan rejse astronomiske afstande uforstyrret. Som sådan kan de spores tilbage til deres kilder og afsløre mysterierne om deres kosmiske oprindelse. Højenergi-neutrinoer, der stammer fra de fjerneste rækker ud over vores galakse, kaldes astrofysiske neutrinoer. Disse kosmiske budbringere kommer i tre forskellige smagsvarianter:elektron, muon og tau, hvor astrofysiske tau-neutrinoer er usædvanligt svære at fastlægge.

"I 2013 præsenterede IceCube sit første bevis på højenergiske astrofysiske neutrinoer, der stammer fra kosmiske acceleratorer, der begynder en ny æra inden for astronomi," sagde Doug Cowen, professor i fysik og i astronomi og astrofysik ved Eberly College of Science i Penn State og en af ​​studielederne. "Denne spændende nye opdagelse kommer med den spændende mulighed for at udnytte tau-neutrinoer til at afdække ny fysik."

IceCube detekterer neutrinoer ved hjælp af strenge af digitale optiske moduler (DOM'er), med i alt 5.160 DOM'er indlejret dybt i den antarktiske is. Når neutrinoer interagerer med kerner i isen, produceres ladede partikler, der udsender blåt lys - som registreres og digitaliseres af de enkelte DOM'er - mens de rejser gennem isen. Lyset producerer karakteristiske mønstre. Et af disse mønstre, kaldet dobbeltkaskadehændelser, er tegn på højenergi-tau-neutrino-interaktioner i detektoren.

Tidligere IceCube-analyser så antydninger af disse subtile signaturer produceret af astrofysiske tau-neutrinoer, så forskerne forblev motiverede til at lokalisere disse undvigende partikler. Forskerne renderede dataene fra hver potentiel tau-neutrino-begivenhed til billeder og trænede derefter konvolutionelle neurale netværk (CNN'er), en type maskinlæringsalgoritme optimeret til billedklassificering, på billederne.

Dette gjorde det muligt for forskerne at skelne billeder produceret af tau neutrinoer fra billeder produceret af forskellige baggrunde. Efter at have kørt simuleringer, der bekræftede dens følsomhed over for tau-neutrinoer, blev teknikken derefter anvendt på 10 års IceCube-data erhvervet mellem 2011 og 2020. Resultatet var syv stærke kandidat-tau-neutrino-begivenheder.

"Detekteringen af ​​syv kandidat-tau-neutrinohændelser i dataene, kombineret med den meget lave mængde af forventet baggrund, giver os mulighed for at hævde, at det er højst usandsynligt, at baggrunde konspirerer for at producere syv tau-neutrino-bedragere," sagde Cowen. "Da tau neutrinoer ved de observerede energier kun kan produceres af astrofysiske kilder, giver deres påvisning også en stærk bekræftelse af IceCubes tidligere opdagelse af den astrofysiske neutrinoflux."

Cowen tilføjede, at sandsynligheden for, at baggrunden efterligner signalet, blev estimeret til at være mindre end 1 ud af 3,5 millioner, svarende til større end en fem-sigma signifikans, betragtet som den statistiske guldstandard for nye opdagelser i fysik.

Fremtidige analyser vil inkorporere flere af IceCubes strenge, da denne undersøgelse kun brugte de tre mest oplyste. En sådan ny analyse ville øge prøven af ​​tau-neutrinoer, der derefter kan bruges til at udføre den første tre-smagsundersøgelse af fænomenet, hvor neutrinoer ændrer smag - kaldet neutrinoscillationer - over kosmologiske afstande. Denne type undersøgelse kunne behandle spørgsmål såsom mekanismen for neutrinoproduktion fra astrofysiske kilder og egenskaberne ved selve rummet, hvorigennem neutrinoer rejser, sagde forskere.

I øjeblikket er der intet værktøj specielt designet til at bestemme energien og retningen af ​​tau neutrinoer, der producerer signaturerne, der ses i denne analyse. En sådan algoritme kunne bruges i realtid til bedre at differentiere et potentielt tau-neutrinosignal fra baggrunden og til at hjælpe med at identificere kandidat-tau-neutrinoer på Sydpolen. I lighed med aktuelle IceCube-alarmer i realtid, der er udstedt for andre neutrinotyper, kan advarsler for tau-neutrinoer udsendes til det astronomiske samfund med henblik på opfølgende undersøgelser.

Cirka 300 fysikere fra 59 institutioner i 14 lande udgør IceCube-samarbejdet. Ud over Cowen omfatter Penn State-forfatterne til undersøgelsen Derek Fox, lektor i astronomi og astrofysik; postdoktorale forskere Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton og Jan Weldert; og kandidatstuderende Daria V. Pankova.

Flere oplysninger: Observation af syv astrofysiske Tau-neutrino-kandidater med IceCube, arXiv (2024). DOI:10.48550/arXiv.2403.02516

Leveret af Pennsylvania State University