På jagt efter det undvigende:IceCube observerer syv potentielle tau-neutrinoer

Hvordan kan man se forskellen?

Spor er den mest almindelige type mønster, der efterlades, når muon-neutrinoer kolliderer med isen, og de er lige linjer af fotoner.

Kaskader, på den anden side, er mindre almindelige. Disse mønstre består af to blips eller lyse pletter på grund af den indledende interaktion med isen og den efterfølgende forsinkelse til en elektron- eller tau-partikel.

"En elektronneutrino laver en anden kugle af lys så tæt på den første, at IceCube registrerer dem som en enkelt kugle. I modsætning hertil kan en tau-neutrino rejse omkring 10 meter, før den henfalder, og danne en anden lyskugle, som IceCube kan skelne fra hinanden. fra den første," sagde prof. Cowen.

Udfordringen er, at mønstrene ligner meget på detektorerne, hvilket gør dem svære at skelne. Denne tvetydighed fik forskerne til at bruge CNN'er til, som prof. Cowen udtrykte det, "håndtere de utallige mønstre, som tau neutrinoer er i stand til at producere."

CNN'er og mønstre

"CNN'er blev designet til at skelne billeder, som billeder af hunde, fra billeder af katte og til at gøre det for forskellige racer, forskellige baggrunde, forskellig belysning og så videre," forklarede prof. Cowen.

Dette gjorde dem til den perfekte kandidat til at gennemsøge data indsamlet af IceCube Neutrino Observatory og identificere signaler, der tilhører tau neutrinoen.

For at træne netværket brugte forskerne simuleringsdata, som omfattede forskellige mønstre svarende til tau-neutrino-interaktioner og baggrundsstøj.

I denne sammenhæng refererer baggrundsstøjen til signaler, der kunne være forårsaget af andre astrofysiske kilder, men som tæt efterligner tau-neutrinoens egenskaber.

Ved at træne CNN'er i tau-neutrino-signaler og baggrundsstøj, sigtede forskerne på at udvikle en model, der var i stand til at skelne ægte tau-neutrino-signaler fra andre kilder.

"Med over 100 millioner parametre, der kan trænes, kunne vores CNN'er udtrække alle tau-neutrino-nålene fra høstakken af ​​baggrunde," sagde prof. Cowen.

Syv tau neutrinokandidater

Forskerne forventede at se seks tau-neutrinoer, men endte med at se syv. Dette er i forlængelse af deres arbejde i 2013, hvor IceCube med succes identificerede hundredvis af muon-neutrinoer og en elektron-anti-neutrino fra et sort hul.

Deres analyse bekræftede, at alle varianter af neutrinoer opførte sig som forventet, selv efter at have rejst astronomiske afstande og ved overordentlig høje energier, hvor hver af de syv havde 20 TeV energi eller højere. Til reference svarer 1 TeV til bevægelsesenergien for en flyvende myg.

"Vi kan være sikre på, at vores syv tau neutrinoer kom fra astrofysiske kilder, fordi kilder til neutrinoer på Jorden, ligesom atmosfæren, ikke kan producere tau neutrinoer på denne energiskala. De syv tau neutrinoer giver således en stærk bekræftelse af IceCubes opdagelse i 2013 af astrofysiske neutrinoer," sagde prof. Cowen.

Det faktum, at alle tre neutrinosmage blev bekræftet, er signifikant. Dette skyldes, at neutrinoer har evnen til at skifte mellem smagsvarianter, når de rejser gennem rummet, et fænomen, der kaldes neutrinoscillationer.

Det er kun første gang, at forskere har været i stand til at bekræfte, at neutrinoscillationer forekommer ved så høje energier og lange afstande.

Selvom forskerne ikke kan sige med 100 % sikkerhed, at de syv signaler er tau neutrinoer, er de sikre på deres forudsigelser. Ifølge deres statistiske analyse er der en ud af 3,5 millioner chance for, at det observerede signal skyldes tilfældige udsving i dataene.

"Groft sagt har en af ​​vores syv begivenheder en 25% chance for at være en astrofysisk elektron- eller myon-neutrino og ikke en tau-neutrino," tilføjede prof. Cowen.

Mønstergenkendelse og astrofysiske kilder

En af forskernes interessante observationer var, hvordan CNN'erne identificerede mønstrene efterladt af tau-neutrinoerne. Det dobbelte kaskademønster er en signatur af tau-neutrinoer, og hvad forskerne troede, den følsomme analyse ville stole på.

Men det, de bemærkede, var langt mere interessant. Mens nogle af de syv signaler havde dette signaturmønster, havde flere ikke.

"Vi har efterfølgende fastslået, at CNN'erne faktisk havde nulstillet det overordnede mønster af lyset produceret af de to lyskugler og var ufølsomme over for signalmønstret i individuelle sensorer," forklarede prof. Cowen.

Det betyder, at CNN'erne kiggede på det overordnede mønster, inklusive de tilstødende fotoner omkring de to lyspunkter.

Relevansen af ​​denne opdagelse strækker sig hele vejen til oprindelsen af ​​højenergineutrinoer selv.

"Når vi forfiner vores teknikker til at finde tau-neutrinoer og bestemme deres egenskaber ud fra de mønstre, de producerer i vores detektor, forventer vi at kunne bruge deres pegeevne til at søge efter astrofysiske kilder, måske opdage nye eller skærpe vores nuværende billede af neutrinoer fra det galaktiske center," konkluderede Prof. Cowen.

Flere oplysninger: 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

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network