science >> Wetenschap >  >> Fysica

Kosmische geesten volgen

Een visualisatie van de Glashow-gebeurtenis opgenomen door de IceCube-detector. Elke gekleurde cirkel toont een IceCube-sensor die door de gebeurtenis is geactiveerd; rode cirkels geven sensoren aan die eerder in de tijd zijn geactiveerd, en groenblauwe cirkels geven sensoren aan die later worden geactiveerd. Dit evenement kreeg de bijnaam 'Hydrangea'. Tegoed:IceCube-samenwerking

Het idee was zo vergezocht dat het sciencefiction leek:maak een observatorium van een blok ijs van een kubieke kilometer op Antarctica om spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, te volgen die door de aarde gaan. Maar in gesprek met Benedickt Riedel, global computing manager bij het IceCube Neutrino Observatory, het is volkomen logisch.

"Het zou astronomisch duur zijn om ergens anders een vergelijkbaar observatorium te bouwen, " Riedel legde uit. "IJs op Antarctica is een geweldig optisch materiaal en stelt ons in staat om neutrino's waar te nemen als nergens anders."

Neutrino's zijn neutrale subatomaire deeltjes met een massa van bijna nul die met bijna de lichtsnelheid door vaste materialen kunnen gaan, zelden reageren met normale materie. Ze werden voor het eerst ontdekt in de jaren vijftig in experimenten in de buurt van kernreactoren, die ook deze deeltjes genereren. Ze bleken verder te zijn gecreëerd door kosmische straling die in wisselwerking staat met onze atmosfeer. Maar astrofysici geloofden dat ze waarschijnlijk wijdverbreid waren en werden veroorzaakt door een verscheidenheid aan kosmische gebeurtenissen, als ze maar gedetecteerd konden worden.

belangrijk, wetenschappers geloofden dat ze cruciale aanwijzingen konden zijn voor andere fenomenen. "20 procent van het potentieel zichtbare heelal is donker voor ons, Riedel legde uit. "Dat komt vooral door de afstanden en de leeftijd van het heelal. Hoge energie licht is ook verborgen. Het wordt geabsorbeerd of ondergaat een transformatie waardoor het moeilijk te herleiden is naar een bron. IceCube onthult een stukje heelal dat we nog niet hebben waargenomen."

Een belangrijk nieuw hulpmiddel in de Multi-Messenger Astronomy Toolbox

Multi-messenger astronomie beschrijft een benadering die waarnemingen van licht, zwaartekracht golven, en deeltjes om enkele van de meest extreme gebeurtenissen in het heelal te begrijpen. Neutrino's spelen een belangrijke rol in dit soort onderzoek.

Vóór 1987, met de explosie van Supernova 1987a, alle astronomische waarnemingen buiten het zonnestelsel waren op fotonen gebaseerd. Vandaag, aanvullende detectiesystemen dragen bij aan onze kijk op de kosmos, inclusief alle luchtonderzoeken en zwaartekrachtgolfdetectoren. Echter, de meeste observatoria kunnen slechts naar een klein deel van de lucht kijken. Ijsblokje, vanwege de aard van neutrino's, kan de vluchten van deze deeltjes vanuit elke richting observeren, en daarom fungeren als een full-sky schildwacht.

Het ijsblok op het Zuidpoolstation Amundsen-Scott op Antarctica - tot honderdduizend jaar oud en extreem helder - is geïnstrumenteerd met sensoren tussen 1, 450 en 2, 450 meter onder het oppervlak. Terwijl neutrino's door het ijs gaan, ze kunnen interageren met een proton of neutron, fotonen produceren die vervolgens door het ijs reizen, en kan worden gedetecteerd door een sensor. De sensoren zetten deze signalen van neutrino-interacties - een handvol per uur - om in digitale gegevens die vervolgens worden geanalyseerd om te bepalen of ze een lokale bron (de atmosfeer van de aarde) of een verre bron vertegenwoordigen.

"Op basis van de analyse onderzoekers kunnen ook bepalen waar in de lucht het deeltje vandaan kwam, zijn energie, en soms, welk type neutrino—elektron, muon of tau - het was, " zei James Madson, uitvoerend directeur van het Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center.

in 2017, IceCube detecteerde een neutrino met een energie van 290 teraelectronvolts (TeV) en stuurde een waarschuwing. De detectie leidde tot een uitgebreide campagne waarbij meer dan twintig ruimte- en grondtelescopen betrokken waren. Ze identificeerden een blazar op 3,5 miljard lichtjaar afstand, voor het eerst een hoogenergetische kosmische stralingsbron identificeren en een nieuw tijdperk in detectie van meerdere berichten inluiden, volgens Riedl.

"We doorzoeken onze dataset voortdurend in bijna realtime op interessante neutrino-gebeurtenissen, " legde hij uit. "We hebben er een gevonden en een e-mailwaarschuwing naar de gemeenschap gestuurd. Ze volgden al deze andere elektromagnetische waarnemingen op, het lokaliseren van een bekende bron van gammastraling. Ze vonden ook, in de loop van een maand, een verhoogde activiteit van de bron."

IceCube ontdekt bewijs van hoogenergetische elektronen-antineutrino

Op 10 maart, 2021, IceCube heeft de detectie aangekondigd van een Glashow-resonantiegebeurtenis, een fenomeen voorspeld door Nobelprijswinnaar natuurkundige Sheldon Glashow in 1960. De Glashow-resonantie beschrijft de vorming van een W? boson - een elementair deeltje dat de zwakke kracht bemiddelt - tijdens de interactie van een hoogenergetisch elektron antineutrino met een elektron, met een piek van een antineutrino-energie van 6,3 peta-elektronvolt (PeV). Het bestaan ​​ervan is een belangrijke voorspelling van het standaardmodel van de deeltjesfysica. De resultaten demonstreerden verder het vermogen van IceCube om fundamentele fysica te doen. Het resultaat is op 10 maart gepubliceerd in Natuur .

De IceCube Neutrino Observatory is de eerste detector in zijn soort, ontworpen om de kosmos van diep in het ijs op de Zuidpool te observeren. Een internationale groep wetenschappers die verantwoordelijk is voor het wetenschappelijk onderzoek vormt de IceCube Collaboration. Krediet:Yuya Makino, IceCube/NSF

Hoewel deze energieschaal onbereikbaar is voor de huidige en toekomstige geplande deeltjesversnellers, natuurlijke astrofysische verschijnselen zullen naar verwachting antineutrino's produceren die verder reiken dan PeV-energieën. Het nieuws van de Glashow-resonantie-ontdekking, "suggereert de aanwezigheid van elektronen-antineutrino's in de astrofysische flux, terwijl het ook een verdere validatie van het standaardmodel van de deeltjesfysica biedt, schreven de auteurs. "De unieke signatuur ervan duidt op een methode om neutrino's van antineutrino's te onderscheiden, daarmee een manier bieden om astronomische versnellers te identificeren die neutrino's produceren via hadronucleaire of fotohadronische interacties, met of zonder sterke magnetische velden."

Neutrino-detecties vereisen aanzienlijke computerbronnen om het detectorgedrag te modelleren en extra-solaire signalen te onderscheiden van achtergrondgebeurtenissen die zijn gecreëerd door kosmische stralingsinteracties in de atmosfeer. Riedel fungeert als coördinator voor een grote gemeenschap van onderzoekers - naar schatting wel 300 - die de Frontera-supercomputer gebruiken in het Texas Advanced Computing Center (TACC), een door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde bron voor de nationale gemeenschap.

IceCube kreeg tijd op Frontera als onderdeel van het Large Scale Community Partnership-traject, die voorziet in verlengde toewijzingen van maximaal drie jaar ter ondersteuning van langlevende wetenschappelijke experimenten. IceCube - dat al 14 jaar gegevens verzamelt en onlangs een subsidie ​​van NSF heeft gekregen om de komende jaren de activiteiten uit te breiden - is een uitstekend voorbeeld van een dergelijk experiment.

"Een deel van de middelen van Frontera heeft bijgedragen aan die ontdekking, "Zei Riedl. "Er zijn jaren van Monte Carlo-simulaties geweest die erin gingen om erachter te komen dat we dit konden doen."

IceCube gebruikt computerbronnen uit een aantal bronnen, inclusief het Open Science Grid, de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), hun eigen lokale supercomputercluster, en recentelijk de Amazon Web Services-cloud. Frontera is het grootste systeem dat wordt gebruikt, echter, en kan een groot deel van de rekenbehoeften van de neutrinogemeenschap aan, lokale of cloudresources reserveren voor dringende analyses, zegt Riedel.

"Veel van het computergebruik op Frontera is mogelijk niet direct geassocieerd met ontdekkingen, maar het helpt op de weg, signalen beter te onderscheiden en nieuwe algoritmen te ontwikkelen, " hij zei.

Modelleren van ijs en opvolgen van veelbelovende signalen

De projecten waarvoor IceCube-wetenschappers Frontera gebruiken, variëren, maar meestal omvatten ze ofwel berekeningen om de optische aard van het ijs in het algemeen beter te begrijpen (zodat het traject en andere kenmerken van neutrino-detecties nauwkeurig kunnen worden bepaald); of berekeningen om specifieke gebeurtenissen te analyseren die als significant worden beschouwd.

Het eerste type berekening maakt voornamelijk gebruik van raytracing om het pad van het licht in het ijs te berekenen van hoogenergetische elektrisch geladen deeltjes die worden geproduceerd wanneer neutrino's op elkaar inwerken. De stralen kunnen verstrooien of worden geadsorbeerd door defecten in het ijs, complicerende analyse. Met behulp van grafische verwerkingseenheden (GPU's), Riedel heeft gevonden, kan de simulaties versnellen om de lichtvoortplanting in het ijs honderden keren te bestuderen. Het IceCube-team is een van de grootste gebruikers van het Frontera GPU-subsysteem met NVIDIA RTX GPU's.

Het tweede type berekening vindt plaats wanneer wetenschappers een waarschuwing ontvangen dat ze een interessant signaal hebben ontvangen. "We starten een berekening om de gebeurtenis te analyseren die kan worden opgeschaald naar een miljoen CPU's, " zei Riedl. "Die hebben we niet, dus Frontera kan ons een deel van die rekenkracht geven om een ​​reconstructie- of extractie-algoritme uit te voeren. We krijgen dat soort evenementen ongeveer een keer per maand."

"Grootschalige simulaties van de IceCube-faciliteit en de gegevens die het creëert, stellen ons in staat om snel en nauwkeurig de eigenschappen van deze neutrino's te bepalen, die op zijn beurt de fysica van de meest energetische gebeurtenissen in het universum blootlegt, " zei Niall Gaffney, TACC Directeur Data Intensive Computing. "Dit is de sleutel tot het valideren van de fundamentele kwantummechanische fysica in omgevingen die op aarde niet praktisch kunnen worden gerepliceerd."

De astronomen van vandaag kunnen het heelal op veel verschillende manieren observeren, en computergebruik staat nu centraal in bijna allemaal. "We zijn afgestapt van het traditionele beeld van een man met een telescoop die naar de lucht kijkt, tot grootschalige instrumenten, tot nu deeltjesfysica en deeltjesobservatoria, " zei Riedl. "Met dit nieuwe paradigma, we hebben grote hoeveelheden computerwerk nodig voor korte perioden om tijdgevoelig computergebruik te doen, en grote wetenschappelijke rekencentra zoals TACC helpen ons bij het doen van onze wetenschap."