Sporing af kosmiske spøgelser

Ideen var så langt ude, at det virkede som science fiction:opret et observatorium ud af en kubik kilometer isblok i Antarktis for at spore spøgelsesagtige partikler kaldet neutrinoer, der passerer gennem Jorden. Men taler til Benedickt Riedel, global computing manager på IceCube Neutrino Observatory, det giver perfekt mening.

"At bygge et sammenligneligt observatorium andre steder ville være astronomisk dyrt, "Riedel forklarede." Antarktis is er et fantastisk optisk materiale og giver os mulighed for at fornemme neutrinoer som ingen andre steder. "

Neutrinoer er neutrale subatomære partikler med en masse tæt på nul, der kan passere gennem faste materialer ved nær lysets hastighed, sjældent reagerer med normalt stof. De blev først opdaget i 1950'erne i forsøg, der opererede i nærheden af ​​atomreaktorer, som også genererer disse partikler. De blev yderligere fundet at være skabt af kosmiske stråler, der interagerer med vores atmosfære. Men astrofysikere mente, at de sandsynligvis var udbredt og forårsaget af en række kosmiske begivenheder, hvis bare de kunne opdages.

Vigtigere, forskere mente, at de kunne være kritiske spor til andre fænomener. "20 procent af det potentielt synlige univers er mørkt for os, "Forklarede Riedel." Det er mest på grund af afstande og universets alder. Høj energi lys er også skjult. Det absorberes eller undergår transformation, der gør det svært at spore tilbage til en kilde. IceCube afslører et stykke univers, som vi endnu ikke har observeret. "

Et vigtigt nyt værktøj i Multi-Messenger Astronomy Toolbox

Multi-messenger astronomi beskriver en tilgang, der kombinerer observationer af lys, gravitationsbølger, og partikler for at forstå nogle af de mest ekstreme begivenheder i universet. Neutrinoer spiller en vigtig rolle i denne type forskning.

Inden 1987, med eksplosionen i Supernova 1987a, alle astronomiske observationer uden for solen var fotonbaserede. I dag, yderligere detektionssystemer tilføjer vores syn på kosmos, inklusive alle himmelundersøgelser og gravitationsbølgedetektorer. Imidlertid, de fleste observatorier kan kun se på en lille del af himlen. Isterning, på grund af neutrinoernes natur, kan observere disse partiklers flyvninger fra enhver retning, og fungerer derfor som en vagtpost i fuld himmel.

Isblokken på Amundsen-Scott Sydpolsstation i Antarktis-op til hundrede tusinde år gammel og ekstremt klar-er instrumenteret med sensorer mellem 1, 450 og 2, 450 meter under overfladen. Når neutrinoer passerer gennem isen, de kan interagere med en proton eller neutron, producerer fotoner, som derefter bevæger sig gennem isen, og kan detekteres af en sensor. Sensorerne omdanner disse signaler fra neutrino -interaktioner - en håndfuld time - til digitale data, der derefter analyseres for at afgøre, om de repræsenterer en lokal kilde (Jordens atmosfære) eller en fjern kilde.

"Baseret på analysen, forskere er også i stand til at bestemme, hvor på himlen partiklen kom fra, dens energi, og nogle gange, hvilken type neutrino -elektron, muon eller tau - det var, "sagde James Madson, administrerende direktør ved Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center.

I 2017, IceCube opdagede et neutrino med en energi på 290 teraelectronvolts (TeV) og sendte en advarsel. Opdagelsen udløste en omfattende kampagne, der involverede mere end tyve rum- og jordbaserede teleskoper. De identificerede en blazar 3,5 milliarder lysår væk, identificering af en kosmisk strålekilde med høj energi for første gang og lancering af en ny æra inden for multi-messenger-detektion, ifølge Riedl.

"Vi søger løbende i vores datasæt i næsten realtid efter interessante neutrino-begivenheder, "forklarede han." Vi fandt en og sendte en e -mailadvarsel ud til samfundet. De fulgte op med alle disse andre elektromagnetiske observationer, at lokalisere en kendt gammastrålekilde. De fandt også, i løbet af en måned, en øget aktivitet fra kilden. "

IceCube opdager tegn på høj-energi elektron Antineutrino

Den 10. marts, 2021, IceCube annoncerede påvisning af en Glashow -resonanshændelse, et fænomen forudsagt af nobelpristagerens fysiker Sheldon Glashow i 1960. Glashow -resonansen beskriver dannelsen af ​​et W? boson-en elementarpartikel, der medierer den svage kraft-under interaktionen mellem en elektron med høj energi antineutrino og en elektron, topper ved en antineutrino -energi på 6,3 petaelektronvolt (PeV). Dens eksistens er en vigtig forudsigelse af standardmodellen for partikelfysik. Resultaterne demonstrerede yderligere IceCubes evne til at udføre grundlæggende fysik. Resultatet blev offentliggjort den 10. marts i Natur .

Selvom denne energiskala er uden for rækkevidde for nuværende og fremtidige planlagte partikelacceleratorer, naturlige astrofysiske fænomener forventes at producere antineutrinoer, der rækker ud over PeV -energier. Nyheden om Glashow -resonansfundet, "antyder tilstedeværelsen af ​​elektronantineutrinoer i den astrofysiske flux, samtidig med at den yder yderligere validering af standardmodellen for partikelfysik, "forfatterne skrev." Dens unikke signatur angiver en metode til at skelne neutrinoer fra antineutrinoer, og dermed give en måde at identificere astronomiske acceleratorer, der producerer neutrinoer via hadronukleære eller fotohadroniske interaktioner, med eller uden stærke magnetfelter. "

Neutrino-detektioner kræver betydelige databehandlingsressourcer til at modellere detektoradfærden og differentiere ekstra-solsignaler fra baggrundshændelser skabt af kosmiske stråleinteraktioner i atmosfæren. Riedel fungerer som koordinator for et stort fællesskab af forskere - så mange som 300 efter hans skøn - der bruger Frontera -supercomputeren på Texas Advanced Computing Center (TACC), en National Science Foundation (NSF) -finansieret ressource til det nationale samfund.

IceCube blev tildelt tid på Frontera som en del af Large Scale Community Partnership -banen, som giver udvidede bevillinger på op til tre år til at støtte videnskabelige eksperimenter med lang levetid. IceCube - som har indsamlet data i 14 år og for nylig blev tildelt et tilskud fra NSF til at udvide driften i løbet af de næste par år - er et førende eksempel på et sådant eksperiment.

"En del af ressourcerne fra Frontera bidrog til denne opdagelse, "Riedl sagde." Der er mange års Monte Carlo -simuleringer, der gik ind i at finde ud af, at vi kunne gøre dette. "

IceCube bruger computerressourcer fra en række kilder, herunder Open Science Grid, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), deres egen lokale supercomputer klynge, og for nylig Amazon Web Services -skyen. Frontera er det største anvendte system, imidlertid, og kan håndtere en stor del af neutrinosamfundets beregningsmæssige behov, reservere lokale eller cloud -ressourcer til presserende analyser, Siger Riedel.

"Meget af computingen på Frontera er muligvis ikke direkte forbundet med opdagelser, men det hjælper på vejen, bedre at skelne signaler og udvikle nye algoritmer, " han sagde.

Modellering af is og opfølgning på lovende signaler

De projekter, som IceCube -forskere bruger Frontera til, varierer, men de involverer typisk enten beregninger for bedre at forstå isens optiske karakter generelt (så banen og andre egenskaber ved neutrinodetektioner kan bestemmes nøjagtigt); eller beregninger til at analysere specifikke hændelser, der anses for at være væsentlige.

Den første beregningstype anvender primært strålesporing til at beregne lysets vej i isen fra højenergi elektrisk ladede partikler produceret, når neutrinoer interagerer. Strålerne kan spredes eller adsorberes af defekter i isen, kompliceret analyse. Brug af grafikprocessorenheder (GPU'er), Riedel har fundet, kan fremskynde simuleringerne til at studere lys lysudbredelsen i isen hundredvis af gange. IceCube -teamet er blandt de største brugere af Frontera GPU -undersystemet, der inkluderer NVIDIA RTX GPU'er.

Den anden type beregning opstår, når forskere modtager en advarsel, der siger, at de har modtaget et interessant signal. "Vi starter en beregning for at analysere hændelsen, der kan skaleres til en million CPU'er, "Sagde Riedl." Vi har dem ikke, så Frontera kan give os en del af denne beregningskraft til at køre en rekonstruktion eller ekstraktionsalgoritme. Vi får den slags begivenheder cirka en gang om måneden. "

"Simuleringer i stor skala af IceCube -anlægget og de data, det skaber, giver os mulighed for hurtigt og præcist at bestemme egenskaberne for disse neutrinoer, som igen afslører fysikken i de mest energiske begivenheder i universet, "sagde Niall Gaffney, TACC Director of Data Intensive Computing. "Dette er nøglen til at validere den grundlæggende kvantemekaniske fysik i miljøer, der ikke praktisk talt kan replikeres på jorden."

Dagens astronomer kan observere universet på mange forskellige måder, og computing er nu centralt for næsten dem alle. "Vi har bevæget os fra det traditionelle syn på en fyr med et teleskop, der kigger op på himlen, til store instrumenter, til nu partikelfysik og partikelobservatorier, "Sagde Riedl." Med dette nye paradigme, vi har brug for store mængder computing i korte perioder for at lave big time sensitive computing, og store videnskabelige computercentre som TACC hjælper os med at udføre vores videnskab. "