Открити седем астрофизични частици тау неутрино

Учени са открили седем астрофизични тау неутрино - частици, които са изключително трудни за откриване - в анализ на данни от обсерваторията за неутрино IceCube в Антарктика

Ваня Милева Последна промяна на 16 април 2024 в 00:00 5171 0

Индуцирани от тау-неутрино светлинни сигнали, открити от обсерваторията за неутрино IceCube. Увеличеният регион показва първоначалния сигнал на тау неутрино. Тау неутриното отлага по-голямата част от енергията си в две отделни точки на взаимодействие, как

Кредит IceCube; NSF

Индуцирани от тау-неутрино светлинни сигнали, открити от обсерваторията за неутрино IceCube. Увеличеният регион показва първоначалния сигнал на тау неутрино. Тау неутриното отлага по-голямата част от енергията си в две отделни точки на взаимодействие, както е посочено от двете малки сфери. След това светлината излиза от тези две точки и се открива от околните сензори, изобразени като цветни сфери. Цветовете показват относителното време, в което всеки сензор е открил светлина, следвайки цветовете на дъгата, като червеното е по-ранни времена, а синьото е по-късни времена.

Около сто милиарда неутрино преминават през нокътя на палеца ви всяка секунда. През своята десетилетна история обсерваторията за неутрино IceCube в Антарктида е регистрирала сигналите на почти милион енергийни неутрино, предоставяйки информация за източници на високоенергийни частици във Вселената.

Черешката на тортата би била да се знае кой тип неутрино - електронно (νе), мюонно (νμ) или тау (ντ) - произвежда определен сигнал. Миналата година IceCube Collaboration съобщи за първите кандидат-сигнали, директно свързани с тау неутриното [ 1 ].

Сега екипът потвърждава, че един от тези два сигнала наистина вероятно идва от тау неутрино и съобщава за наблюдението на още шест "вероятни тау“ сигнала [ 2 ].

"Не можем да кажем с абсолютна сигурност, че сме открили тау неутрино“, отбелязва Дъг Коуен (Doug Cowen), астрофизик на частиците в Пенсилванския държавен университет (PSU) и член на IceCube Collaboration. "Но седемте сигнала имат всички характеристики, които очакваме за тези частици."

Колаборацията IceCube за първи път забеляза космически неутрино през 2013 г., малко след като обсерваторията влиза в експлоатация. Тези неутрино и другите, наблюдавани оттогава, са открити с помощта на взаимодействията на неутриното с ядрата на атомите в оптически прозрачния ледников лед от 1 куб. км, който съставя детектора IceCube. Такива взаимодействия произвеждат заредени частици, които след това се движат през леда, излъчвайки сини фотони, които оптичните сензори, вградени в леда, улавят.

Обсерваторията за неутрино IceCube. Кредит: IceCube/NSF

Към днешна дата фотонните модели, предизвикани от неутрино, открити от IceCube, са групирани в една от двете категории: "следи“ или "каскади“. Следата - най-често срещаният подпис - изглежда като права линия от детекторите на фотони, които могат да се простират по цялата дължина на детектора и се развиват след сблъсъка на мюонно неутрино с леда на детектора. За разлика от тях каскадата се появява като кълбо от детекции на фотони с радиус от десетки до стотици метри и може да възникне след сблъсък на електронно или тау неутрино с атом в леда.

Каскадните сигнали, произведени от електронни и тау неутрино, могат да бъдат толкова сходни, че моделите на фотоните е трудно да се свържат недвусмислено с конкретна частица. Например, когато едно електронно неутрино взаимодейства с детектора IceCube, то произвежда електрон, който пътува за кратко преди да се разпръсне и така създава много локализирано кълбо от фотони. Тау неутриното произвежда тау лептон - тежък братовчед на електрона - който излъчва кълбо от фотони както когато се произвежда, така и когато се разпада. Но разстоянието между тези две каскади често е толкова кратко - няколко милиметра или сантиметра - че двата модела се припокриват и изглеждат като един. За да се появят като отделни обекти в детектора, разстоянието между каскадите трябва да бъде най-малко 10 метра, което се случва само за тау неутрино с най-висока енергия.

Именно сигналите на тези частици са открити от обсерваторията.

За да забележат тези сигнали, Коуен и колегите му разработват модел на изкуствен интелект за извличане на кандидат-сигнали от почти десетилетие от данните на обсерваторията IceCube. Моделът е обучен с помощта на двойни каскадни модели, създадени от симулирани тау неутрино и от "фалшиви“ събития или фонов шум. Моделът маркира седем събития кандидат за тау-неутрино - всяко с енергия от 20 TeV или по-висока, което е милион пъти по-голямо от типичните MeV енергии на слънчевите неутрино.

Техниката, използвана от IceCube, представлява "голяма стъпка напред“ в намирането на редки събития в детекторите, коментира Стефани Уисел (Stephanie Wissel), също от PSU. Уисел не е част от IceCube Collaboration, но работи върху IceCube-Gen2, планирано разширение на обсерваторията. Уисел отбелязва, че новият метод за търсене може да улови необичайни тау-неутрино събития, но Уисел отбелязва, че IceCube Collaboration "включи няколко проверки за надеждност, за да се гарантира, че търсенето не е обект на фалшиви положителни резултати“.

Анализът на статистическата значимост на кандидат-събитията показва, че вероятността те да са дошли от някаква друга частица или събитие е по-малко от 1 на 3,5 милиона, подчертава Коуен. Въпреки че броят на откритите тау неутрино може да изглежда малък, Коуен отбелязва, че отговаря на техните очаквания, влизащи в анализа. "Очаквахме четири до осем въз основа на други измервания на неутрино с много висока енергия и видяхме седем“, обяснява изследователят.

"Неутриното се проявява в три разновидности (аромата). Но само с този резултат вече е доказано, че и трите вида пристигат на Земята от астрофизични източници със свръхвисока енергия", отбелязва Дейвид Салцбърг (David Saltzberg), физик, специалист по неутриното в Калифорнийския университет в Лос Анджелис.

Моделите предвиждат, че неутриното осцилират между трите "аромата", докато се разпространяват в пространството (вижте "Нобелови награди 2015: Най-голямата награда за най-малката частица"), но дали тези осцилации се случват при толкова високи енергии и големи разстояния никога преди не е било показано, подчертава Салцберг.

"Ако нещо не беше наред с нашия Стандартен модел за ароматите на неутриното, това можеше да се прояви в този резултат“, добавя Салцберг. "Стандартният модел все още оцелява, дори при този екстремен тест.“

Илюстрация на превръщане на мюонно неутрино в електронно неутрино, а след това пак в мюонно. Може да се каже, че осцилациите на неутриното са макроскопична илюстрация на квантовите закони - нещо, което се среща при частиците само при температури, близки до абсолютната нула. Кредит: Physicsworld.com

Наблюденията също имат важни последици за разбирането на далечни астрофизични източници на неутрино. Физиците знаят пропорциите на електронни, мюонни и тау неутрино, произведени на Земята, но астрофизичните източници биха могли да произведат неутрино с различен начален микс от аромати, посочва физикът Джон Бийком (John Beacom) от държавния университет в Охайо, който не е част от IceCube Collaboration.

"Може би началната точка е същата, може би не е, но можем наистина да разберем само като открием и трите аромата на неутриното.“ Сега, когато IceCube демонстрира тази способност, физиците ще могат да търсят признаци на нова физика в областта на неутриното, отбелязва Бийком.

Астрофизичното значение на тау неутрино може да се разшири и до други начини за гледане на Вселената, тъй като откриването на тау неутрино може да задейства мрежа от телескопи за търсене на определена част от небето. Такива мултимедийни данни могат да разкрият къде и как природата създава високоенергийни неутрино – все още неразрешен проблем.

"Екипът вероятно е на няколко години от възможността да разпраща сигнали в реално време, че е открил тау-неутрино", коментира Коуен. "Но това е на хоризонта."

Справка:

  1. R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration), “Detection of astrophysical tau neutrino candidates in IceCube,” Eur. Phys. J. C 82, 1031 (2022).
  2. R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration), “Observation of seven astrophysical tau neutrino candidates with IceCube,” Phys. Rev. Lett. 132, 151001 (2024).

ИзточникSeven Astrophysical Tau Neutrinos Unmasked, Physics

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !