Міжнародне об’єднання (колаборація) дослідників з нейтринної обсерваторії IceCube (це нейтринний телескоп розміром кубічний кілометр на Південному полюсі), серед яких вчені з Пенсільванського університету, виявило новий вид носія астрофізичної інформації — досі невловиме тау-нейтрино.
Нейтрино — це крихітні субатомні частинки зі слабкою взаємодією, які можуть безперешкодно подорожувати на астрономічні відстані. Таким чином, їх можна простежити до їхніх джерел, розкриваючи таємниці космічного походження цих частинок. Нейтрино високої енергії, які походять із найвіддаленіших куточків за межами нашої галактики, називають астрофізичними нейтрино. Ці космічні носії інформації бувають трьох різних типів: електронне, мюонне і тау-нейтрино. Астрофізичні тау-нейтрино надзвичайно важко зареєструвати.
«У 2013 році колаборація IceCube надала перші докази високоенергетичних астрофізичних нейтрино, що походять від космічних прискорювачів, поклавши початок новій ері в астрономії», — сказав Даґ Ковен (Doug Cowen), професор фізики, астрономії та астрофізики в Науковому коледжі Еберлі Пенсільванського університету, один із керівників дослідження. «Це захопливе нове відкриття надає цікаву можливість використання тау-нейтрино для започаткування нової фізики».
Детектор IceCube виявляє нейтрино за допомогою низки цифрових оптичних модулів (digital optical modules, DOM), із загалом 5160 DOM, вбудованих глибоко в антарктичний лід. Коли нейтрино взаємодіють з атомами води, утворюються заряджені частинки, які випромінюють блакитне світло. Його реєструють окремі DOM, коли воно проходить крізь лід. Світло створює характерні візерунки. Один з цих візерунків, який називають подвійним каскадом, вказує на взаємодію тау-нейтрино високої енергії в детекторі.
Попередній аналіз даних, отриманих за допомогою IceCube, нібито вказував на ці тонкі ефекти, створені астрофізичними тау-нейтрино, тому дослідники були мотивованими, щоб точно визначити ці невловимі частинки. Науковці перетворили дані з кожної потенційної події тау-нейтрино в зображення, а потім навчили на зображеннях згорткові нейронні мережі (convolutional neural networks, CNN), тип алгоритму машинного навчання, оптимізований для класифікації зображень.
Це дало змогу дослідникам відрізнити зображення, створені тау-нейтрино, від зображень, які створювали різні фонові явища. Після моделювання, яке підтвердило чутливість методу до тау-нейтрино, його застосували до 10-річних даних, отриманих за допомогою IceCube протягом 2011—2020 років. Результатом стали сім сильних кандидатів на тау-нейтрино.
Нейтринна обсерваторія IceCube виявила сім астрофізичних тау-нейтрино. Ці, колись невловимі, частинки слабо взаємодіють, можуть долати астрономічні відстані незмінними, і їх можна відстежити до їхніх джерел. Що може потенційно дати змогу відкривати таємниці космічного походження цих частинок. На зображенні показано світловий сигнал одного з енергетичних астрофізичних тау-нейтрино, виявлений кількома фотосенсорами в нейтринній обсерваторії IceCube на Південному полюсі. Авторські права на зображення: IceCube Collaboration. Фото з сайту https://phys.org.
«Виявлення семи потенційних подій тау-нейтрино в даних у поєднанні з дуже низькою кількістю очікуваного фону дає нам підстави стверджувати: дуже малоймовірно, що фонові явища “змовляються”, щоб створити сім “самозванців” тау-нейтрино», — сказав Ковен. «Оскільки тау-нейтрино зі спостережуваними енергіями можуть виникати лише в астрофізичних джерелах, їх виявлення також є сильним підтвердженням раніше відкритого IceCube потоку астрофізичних нейтрино».
Ковен додав — ймовірність того, що сигнал імітує фон, за оцінками, становить менше 1 на 3,5 мільйона. Це відповідає значущості більше п’яти сигма, що науковці вважають статистичним золотим стандартом для нових відкриттів у фізиці.
Майбутні аналізи спиратимуться на дані, отримані від більшої кількості низок цифрових оптичних модулів IceCube, оскільки в цьому дослідженні використовували лише три найяскравіші. Такий новий аналіз збільшить вибірку тау-нейтрино, яку потім можна буде використати для першого дослідження трьох типів явища, коли нейтрино змінюють тип — так званих осциляцій нейтрино — на космологічних відстанях. За словами науковців, це дослідження могло б вирішити такі питання, як механізм утворення нейтрино в астрофізичних явищах (джерелах) і властивості самого простору, через який подорожують нейтрино.
Наразі не існує інструменту, спеціально розробленого для визначення енергії та напрямку тау-нейтрино, які створюють сигнали, виявлені в цьому аналізі. Такий алгоритм можна використовувати в режимі реального часу, щоб краще відрізнити потенційний сигнал тау-нейтрино від фону та допомогти ідентифікувати потенційні тау-нейтрино на Південному полюсі. Так само, як колаборація IceCube надсилає у режимі реального часу сповіщення про інші типи нейтрино, вона може надсилати сповіщення астрономічній спільноті про тау-нейтрино для подальших досліджень.
Майже 300 фізиків з 59 установ у 14 країнах входять до складу колаборації IceCube. Окрім Ковена, серед авторів дослідження з Пенсільванського університету — Дерек Фокс (Derek Fox), доцент кафедри астрономії та астрофізики; аспіранти Аарон Т. Фіенберґ (Aaron T. Fienberg), Кайла Леонард ДеГолтон (Kayla Leonard DeHolton) і Ян Велдерт (Jan Weldert); та аспірант Дарія Панкова (Daria V. Pankova).
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
