Het IceCube Neutrino Observatory, een neutrinotelescoop ter grootte van een kubieke kilometer op de Zuidpool, heeft een nieuw soort astrofysische boodschapper waargenomen. In een nieuwe studie die onlangs is geaccepteerd voor publicatie als redactiesuggestie door het tijdschrift Physical Review Letters en beschikbaar op de arXiv preprint-server presenteerde de IceCube-samenwerking, waaronder onderzoekers van Penn State, de ontdekking van zeven van de ooit ongrijpbare astrofysische tau-neutrino's.

Neutrino's zijn kleine, zwak op elkaar inwerkende subatomaire deeltjes die ongestoord astronomische afstanden kunnen afleggen. Als zodanig kunnen ze worden herleid tot hun bronnen, waardoor de mysteries van hun kosmische oorsprong worden onthuld. Hoogenergetische neutrino's die afkomstig zijn uit de verste uithoeken van onze Melkweg worden astrofysische neutrino's genoemd. Deze kosmische boodschappers zijn er in drie verschillende smaken:elektron, muon en tau, waarbij astrofysische tau-neutrino's uitzonderlijk moeilijk te achterhalen zijn.

"In 2013 presenteerde IceCube het eerste bewijs van hoogenergetische astrofysische neutrino's afkomstig van kosmische versnellers, waarmee een nieuw tijdperk in de astronomie begon", zegt Doug Cowen, hoogleraar natuurkunde en astronomie en astrofysica aan het Eberly College of Science in Penn State en een van de onderzoeksleiders. "Deze opwindende nieuwe ontdekking brengt de intrigerende mogelijkheid met zich mee om tau-neutrino's te gebruiken om nieuwe natuurkunde te ontdekken."

IceCube detecteert neutrino's met behulp van reeksen digitale optische modules (DOM's), met in totaal 5.160 DOM's diep ingebed in het Antarctische ijs. Wanneer neutrino's interageren met kernen in het ijs, worden geladen deeltjes geproduceerd die blauw licht uitstralen - dat wordt geregistreerd en gedigitaliseerd door de individuele DOM's - terwijl ze door het ijs reizen. Het licht produceert onderscheidende patronen. Eén van deze patronen, dubbele cascade-gebeurtenissen genoemd, is indicatief voor hoogenergetische tau-neutrino-interacties binnen de detector.

Eerdere IceCube-analyses zagen hints van deze subtiele kenmerken geproduceerd door astrofysische tau-neutrino's, dus de onderzoekers bleven gemotiveerd om deze ongrijpbare deeltjes te lokaliseren. De onderzoekers hebben de gegevens van elke potentiële tau-neutrino-gebeurtenis omgezet in beelden en vervolgens convolutionele neurale netwerken (CNN's), een type machine learning-algoritme dat is geoptimaliseerd voor beeldclassificatie, op de beelden getraind.

Hierdoor konden de onderzoekers afbeeldingen geproduceerd door tau-neutrino's onderscheiden van afbeeldingen geproduceerd door verschillende achtergronden. Na het uitvoeren van simulaties die de gevoeligheid voor tau-neutrino's bevestigden, werd de techniek vervolgens toegepast op tien jaar aan IceCube-gegevens verzameld tussen 2011 en 2020. Het resultaat was zeven sterke kandidaat-tau-neutrino's.

"De detectie van zeven kandidaat-tau-neutrino-gebeurtenissen in de gegevens, gecombineerd met de zeer lage hoeveelheid verwachte achtergrond, stelt ons in staat te beweren dat het hoogst onwaarschijnlijk is dat achtergronden samenzweren om zeven tau-neutrino-bedriegers te produceren," zei Cowen. "Aangezien tau-neutrino's bij de waargenomen energieën alleen kunnen worden geproduceerd door astrofysische bronnen, biedt hun detectie ook een sterke bevestiging van IceCube's eerdere ontdekking van de astrofysische neutrinoflux."

Cowen voegde eraan toe dat de waarschijnlijkheid dat de achtergrond het signaal nabootst, werd geschat op minder dan 1 op 3,5 miljoen, wat overeenkomt met een significantie van meer dan vijf sigma, wat wordt beschouwd als de statistische gouden standaard voor nieuwe ontdekkingen in de natuurkunde.

Toekomstige analyses zullen meer snaren van IceCube omvatten, aangezien in dit onderzoek alleen de drie meest verlichte snaren zijn gebruikt. Een dergelijke nieuwe analyse zou de steekproef van tau-neutrino's vergroten, die vervolgens kan worden gebruikt voor het uitvoeren van de eerste studie met drie smaken van het fenomeen waarbij neutrino's van smaak veranderen - neutrino-oscillaties genoemd - over kosmologische afstanden. Dit type onderzoek zou vragen kunnen beantwoorden zoals het mechanisme van de productie van neutrino's uit astrofysische bronnen en de eigenschappen van de ruimte zelf waar neutrino's doorheen reizen, aldus onderzoekers.

Momenteel is er geen instrument dat specifiek is ontworpen om de energie en richting van tau-neutrino's te bepalen die de handtekeningen produceren die in deze analyse te zien zijn. Een dergelijk algoritme zou in realtime kunnen worden gebruikt om een ​​potentieel tau-neutrinosignaal beter te onderscheiden van de achtergrond en om kandidaat-tau-neutrino's op de Zuidpool te helpen identificeren. Net als de huidige real-time IceCube-waarschuwingen voor andere neutrinotypen, kunnen waarschuwingen voor tau-neutrino's worden verzonden naar de astronomische gemeenschap voor vervolgonderzoek.

Ongeveer 300 natuurkundigen uit 59 instellingen in 14 landen vormen de IceCube-samenwerking. Naast Cowen omvatten de Penn State-auteurs van de studie ook Derek Fox, universitair hoofddocent astronomie en astrofysica; postdoctorale onderzoekers Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton en Jan Weldert; en afgestudeerde student Daria V. Pankova.

Meer informatie: Observatie van zeven astrofysische tau-neutrinokandidaten met IceCube, arXiv (2024). DOI:10.48550/arXiv.2403.02516

Aangeboden door Pennsylvania State University