Семь редких нейтрино высоких энергий обнаружены в гигатонне чистого льда

Каждую секунду через вас проходит около триллиона крошечных частиц, называемых нейтрино. Созданные во время Большого взрыва, эти «реликтовые» нейтрино существуют по всей Вселенной, но они не могут причинить вам вреда. Фактически, только один из них, вероятно, легко коснется атома в вашем теле за всю вашу жизнь.

Большинство нейтрино, производимых такими объектами, как черные дыры, имеют гораздо больше энергии, чем реликтовые нейтрино, летающие в космосе. Хотя эти энергичные нейтрино встречаются гораздо реже, они с большей вероятностью врежутся во что-нибудь и создадут сигнал, который смогут обнаружить физики вроде меня. Но чтобы их обнаружить, нейтринным физикам пришлось построить очень масштабные эксперименты.

IceCube, один из таких экспериментов, зафиксировал особенно редкий тип особо энергичных астрофизических нейтрино в исследовании, опубликованном в апреле 2024 года. Эти энергичные нейтрино часто встречаются маскируются под другие, более распространенные типы нейтрино. Но впервые мне и моим коллегам удалось их обнаружить, извлекая некоторые из почти 10-летних данных.

Их присутствие ставит таких исследователей, как я, на шаг ближе к разгадке тайны того, насколько высокоэнергетически в первую очередь образуются такие частицы, как астрофизические нейтрино.

Обсерватория IceCube

Нейтринная обсерватория IceCube — это 800-фунтовая горилла крупных нейтринных экспериментов. Он имеет около 5000 датчиков, которые уже более десяти лет внимательно следят за гигатонной льда под Южным полюсом. Когда нейтрино сталкивается с атомом во льду, образуется световой шар, который регистрируют датчики.

IceCube обнаружил нейтрино, созданные в нескольких местах, таких как атмосфера Земли, центр Млечного Пути. галактики и черных дыр в других галактиках, находящихся на расстоянии многих световых лет.

Но тау-нейтрино, один из типов особенно энергичных нейтрино, до сих пор ускользал от IceCube.

Вкусы нейтрино

Нейтрино бывают трех разных типов, которые физики называют ароматами. Каждый аромат оставляет отчетливый отпечаток на детекторе, таком как IceCube.

Когда нейтрино сталкивается с другой частицей, оно обычно производит заряженную частицу, соответствующую его аромату. Мюонное нейтрино производит мюон, электронное нейтрино производит электрон, а тау-нейтрино производит тау.

Нейтрино с мюонным ароматом имеют наиболее характерную сигнатуру, поэтому мои коллеги и я из коллаборации IceCube, естественно, искал их в первую очередь. Мюон, испускаемый в результате столкновения мюонных нейтрино, пройдет через сотни метров льда, оставляя длинный след обнаруживаемого света, прежде чем распадется. Этот трек позволяет исследователям проследить происхождение нейтрино.

Затем команда изучила электронные нейтрино, взаимодействия которых создают примерно сферический световой шар. Электрон, образовавшийся в результате столкновения электронного нейтрино, никогда не распадается и сталкивается с каждой частицей льда, к которой приближается. Это взаимодействие оставляет за собой расширяющийся шар света, прежде чем электрон наконец остановится.

Поскольку направление электронного нейтрино очень трудно определить на глаз, физики IceCube применили методы машинного обучения, чтобы указать, где именно электронные нейтрино могли быть созданы. Эти методы используют сложные вычислительные ресурсы и настраивают миллионы параметров для разделения сигналов нейтрино всех известных фонов.

Третья разновидность нейтрино, тау-нейтрино, является хамелеоном из всего трио. Одно тау-нейтрино может выглядеть как световой след, а следующее — как шар. Тау-частица, образовавшаяся в результате столкновения, проходит крошечную долю секунды, прежде чем распадается, а когда она распадается, обычно образуется световой шар.

Эти тау-нейтрино создают два световых шара, один из которых изначально они во что-то врезаются и создают тау, причем тау само распадается. Большую часть времени тау-частица распадается, пройдя лишь очень короткое расстояние, в результате чего два световых шара настолько перекрываются, что их невозможно отличить от одного шара.

Но при более высоких энергиях испускаемый тау-частица Частица может преодолевать десятки метров, в результате чего два световых шара отделяются друг от друга. Физики, вооружённые методами машинного обучения, смогут разобраться в этом и найти иголку в стоге сена.

Когда нейтрино проходят через IceCube, крошечная их часть будет взаимодействовать с атомами льда и производить свет. , что фиксируют датчики. На видео сферы представляют собой отдельные датчики, причем размер каждой сферы пропорционален количеству света, который она обнаруживает. Цвета указывают относительное время прибытия света в соответствии с цветами радуги: красный прибывает раньше всех, а фиолетовый — позже.

Энергичные тау-нейтрино

С помощью этих вычислительных инструментов , команде удалось извлечь семь сильных кандидатов тау-нейтрино из данных примерно за 10 лет. Эти тау имели более высокие энергии, чем даже самые мощные ускорители частиц на Земле, а это означает, что они должны происходить из астрофизических источников, таких как черные дыры.

Эти данные подтверждают более раннее открытие IceCube астрофизических нейтрино, и они подтверждают намекают на то, что IceCube ранее уловил астрофизические тау-нейтрино.

Эти результаты также показывают, что даже при самых высоких энергиях и на огромных расстояниях нейтрино ведут себя почти так же, как и при более низких энергиях.

>

В частности, обнаружение астрофизических тау-нейтрино подтверждает, что энергичные нейтрино из далеких источников меняют аромат или колеблются. Нейтрино с гораздо более низкими энергиями, путешествующие на гораздо более короткие расстояния, также колеблются таким же образом.

По мере того, как IceCube и другие эксперименты с нейтрино собирают больше данных, а ученые совершенствуются в различении трех ароматов нейтрино, исследователи в конечном итоге смогут угадайте, как образуются нейтрино, исходящие из черных дыр. Мы также хотим выяснить, относится ли пространство между Землей и этими далекими астрофизическими ускорителями нейтрино к частицам по-разному в зависимости от их массы.

Энергичных тау-нейтрино и их мюонных и электронных кузенов всегда будет меньше, чем более обычные нейтрино, возникшие в результате Большого взрыва. Но их достаточно, чтобы помочь таким ученым, как я, искать самые мощные излучатели нейтрино во Вселенной и изучать безграничное пространство между ними.

Даг Коуэн, профессор физики и профессор астрономии и астрофизики, штат Пенсильвания

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.