Вид спереди на лабораторию IceCube в сумерках: звездное небо, над головой которого виден Млечный Путь, и солнечный свет, задерживающийся на горизонте. Фото: Мартин Вольф, IceCube/NSF
Нейтринная обсерватория IceCube, нейтринный телескоп размером в кубический километр на Южном полюсе, наблюдала новый вид астрофизического посланника. В новом исследовании, недавно принятом к публикации в качестве предложения редакции журнала Physical Review Letters и доступном на сервере препринтов arXiv, коллаборация IceCube, включающая исследователей из Пенсильванского университета, представила открытие семи некогда неуловимых астрофизических тау-нейтрино.
Нейтрино — это крошечные, слабо взаимодействующие субатомные частицы, которые могут беспрепятственно путешествовать на астрономические расстояния. Таким образом, их можно проследить до их истоков, раскрывая тайны их космического происхождения. Нейтрино высоких энергий, которые происходят из самых дальних пределов нашей галактики, называются астрофизическими нейтрино. Эти космические посланники бывают трех разных видов: электронные, мюонные и тау-нейтрино, причем астрофизические тау-нейтрино чрезвычайно сложно определить.
«В 2013 году IceCube представил свои первые доказательства существования астрофизических нейтрино высоких энергий, происходящих из космических ускорителей, что положило начало новой эре в астрономии», — сказал Дуг Коуэн, профессор физики, а также астрономии и астрофизики в Научном колледже Эберли в Пенсильванском университете. один из руководителей исследования. «Это захватывающее новое открытие открывает интригующую возможность использования тау-нейтрино для открытия новой физики».
IceCube обнаруживает нейтрино с помощью цепочек цифровых оптических модулей (DOM), в общей сложности из 5160 DOM, встроенных глубоко в антарктический лед. Когда нейтрино взаимодействуют с ядрами во льду, образуются заряженные частицы, которые излучают синий свет, который регистрируется и оцифровывается отдельными DOM, проходя через лед. Свет создает характерные узоры. Одна из этих закономерностей, называемая событиями двойного каскада, указывает на взаимодействие тау-нейтрино высоких энергий внутри детектора.
Предыдущие анализы IceCube выявили намеки на эти тонкие сигнатуры, создаваемые астрофизическими тау-нейтрино, поэтому у исследователей оставалась мотивация точно определить эти неуловимые частицы. Исследователи преобразовали данные каждого потенциального события тау-нейтрино в изображения, а затем обучили на них сверточные нейронные сети (CNN), тип алгоритма машинного обучения, оптимизированный для классификации изображений.
Это позволило исследователям отличить изображения, созданные тау-нейтрино, от изображений, созданных на различных фонах. После запуска моделирования, подтвердившего его чувствительность к тау-нейтрино, этот метод был затем применен к данным IceCube за 10 лет, полученным в период с 2011 по 2020 год. В результате было получено семь сильных событий-кандидатов тау-нейтрино.
Нейтринная обсерватория IceCube обнаружила семь астрофизических тау-нейтрино. Некогда неуловимые частицы слабо взаимодействуют, могут преодолевать астрономические расстояния невредимыми, и их можно проследить до их источников, что потенциально раскрывает тайны их космического происхождения. На изображении показан световой сигнал одного из энергичных астрофизических тау-нейтрино, обнаруженный несколькими фотосенсорами нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе. Фото: Сотрудничество IceCube
«Обнаружение в данных семи событий-кандидатов тау-нейтрино в сочетании с очень низким уровнем ожидаемого фона позволяет нам утверждать, что крайне маловероятно, что фоны сговорились создать семь самозванцев тау-нейтрино», — сказал Коуэн. «Поскольку тау-нейтрино наблюдаемых энергий могут производиться только астрофизическими источниками, их обнаружение также обеспечивает убедительное подтверждение более раннего открытия IceCube потока астрофизических нейтрино».
Коуэн добавил, что вероятность того, что фон имитирует сигнал, оценивается менее чем в 1 из 3,5 миллионов, что соответствует значимости, превышающей пять сигм, которая считается статистическим золотым стандартом для новых открытий в физике.
Будущие анализы будут включать больше струн IceCube, поскольку в этом исследовании использовались только три наиболее освещенные. Такой новый анализ позволит увеличить выборку тау-нейтрино, которую затем можно будет использовать для проведения первого исследования трех ароматов явления, при котором нейтрино меняют ароматы (так называемые нейтринные осцилляции) на космологических расстояниях. По словам исследователей, исследования такого типа могут решить такие вопросы, как механизм производства нейтрино из астрофизических источников и свойства самого пространства, через которое перемещаются нейтрино.
В настоящее время не существует инструмента, специально предназначенного для определения энергии и направления тау-нейтрино, которые создают сигнатуры, наблюдаемые в этом анализе. Такой алгоритм можно было бы использовать в режиме реального времени, чтобы лучше отличать потенциальный сигнал тау-нейтрино от фона и помогать идентифицировать кандидатные тау-нейтрино на Южном полюсе. Подобно текущим оповещениям IceCube в режиме реального времени, выдаваемым для других типов нейтрино, оповещения о тау-нейтрино могут направляться астрономическому сообществу для последующих исследований.
В коллаборацию IceCube входят около 300 физиков из 59 институтов в 14 странах. Помимо Коуэна, среди авторов исследования штата Пенсильвания Дерек Фокс, доцент кафедры астрономии и астрофизики; постдокторанты Аарон Т. Файнберг, Кайла Леонард ДеХолтон и Ян Велдерт; и аспирантка Дарья В. Панкова.
Информация от: Университетом штата Пенсильвания.
