Wetenschap
Op jacht naar het ongrijpbare:IceCube observeert zeven potentiële tau-neutrino's
Onderzoekers van het IceCube Neutrino Observatorium op Antarctica hebben zeven signalen gevonden die mogelijk kunnen wijzen op tau-neutrino's (die moeilijk te detecteren zijn) van astrofysische objecten.
Neutrino's behoren tot de meest ongrijpbare deeltjes om te detecteren vanwege hun extreem lage massa en zwakke interacties met materie. Een van de redenen waarom wetenschappers geïnteresseerd zijn in deze deeltjes is hun vermogen om lange afstanden af te leggen, wat betekent dat ze informatie kunnen bevatten over astrofysische processen en objecten die ver weg van ons plaatsvinden.
De IceCube-samenwerking heeft tot doel deze neutrino's te bestuderen door het spoor te observeren dat ze achterlaten wanneer ze met de detectoren interageren of over het ijs reizen.
Het huidige onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters , beschrijft hoe IceCube signalen van neutrino's heeft waargenomen, waarvan er zeven het tau-neutrino zouden kunnen zijn.
De onderzoekers gebruikten convolutionele neurale netwerken (CNN's) om 9,7 jaar aan gegevens te doorzoeken die door het observatorium op de Zuidpool waren verzameld. Hun grootste uitdaging was het onderscheid maken tussen de drie ‘smaken’ van neutrino’s, die allemaal vergelijkbare signalen achterlaten.
Muon-, elektron- en tau-neutrino's
Het neutrino bestaat in drie varianten, of smaken, zoals ze in de wetenschappelijke gemeenschap bekend staan:het elektronenneutrino, het muon-neutrino en het tau-neutrino. Het zijn de meest voorkomende deeltjes met massa in het universum, aangezien er elke seconde 100 biljoen van hen door je lichaam gaan!
Zoals eerder vermeld, zijn ze echter notoir moeilijk te detecteren en is het zelfs nog moeilijker om de smaken van elkaar te onderscheiden.
"Vergeleken met andere deeltjes is het isoleren van neutrino's bijzonder uitdagend vanwege hun zwakke interacties met materie. Tau-neutrino's kunnen gemakkelijk elektronen- of muon-neutrino's nabootsen, de andere twee bekende smaken van neutrino's, dus het isoleren ervan is nog uitdagender", legt prof. Doug Cowen van Penn State aan Phys.org, een van de co-auteurs van het onderzoek.
Het IceCube Neutrino Observatory bestaat uit duizenden optische sensoren onder ijs verspreid over een kubieke kilometer op de Zuidpool. Wanneer de neutrino's via de detectoren over het ijs bewegen, laten ze twee soorten sporen achter:sporen en cascades.
Hoe herken je het verschil?
Sporen zijn het meest voorkomende type patroon dat achterblijft wanneer muon-neutrino's tegen het ijs botsen, en het zijn rechte lijnen van fotonen.
Cascades komen daarentegen minder vaak voor. Deze patronen bestaan uit twee blips of heldere vlekken als gevolg van de initiële interactie met het ijs en de daaropvolgende vertraging tot een elektron- of tau-deeltje.
“Een elektronenneutrino maakt een tweede lichtbal zo dicht bij de eerste dat IceCube ze als één enkele bal detecteert. Een tau-neutrino kan daarentegen ongeveer 10 meter reizen voordat hij vervalt, waardoor een tweede lichtbal ontstaat die IceCube kan onderscheiden. vanaf het begin", zei prof. Cowen.
De uitdaging is dat de patronen op de detectoren erg op elkaar lijken, waardoor ze moeilijk te onderscheiden zijn. Deze dubbelzinnigheid bracht de onderzoekers ertoe CNN's te gebruiken om, zoals prof. Cowen het uitdrukte, "de talloze patronen te verwerken die tau-neutrino's kunnen produceren."
CNN's en patronen
"CNN's zijn ontworpen om afbeeldingen, zoals afbeeldingen van honden, te onderscheiden van afbeeldingen van katten en om dit te doen voor verschillende rassen, verschillende achtergronden, verschillende belichtingen, enzovoort", legt prof. Cowen uit.
Dit maakte hen tot de perfecte kandidaat om de gegevens van het IceCube Neutrino Observatorium te doorzoeken en signalen te identificeren die tot het tau-neutrino behoren.
Om het netwerk te trainen, gebruikten de onderzoekers simulatiegegevens, waaronder verschillende patronen die correspondeerden met tau-neutrino-interacties en achtergrondgeluiden.
In deze context verwijst het achtergrondgeluid naar signalen die veroorzaakt kunnen worden door andere astrofysische bronnen, maar die de kenmerken van het tau-neutrino nauw nabootsen.
Door CNN's te trainen op tau-neutrinosignalen en achtergrondgeluid wilden de onderzoekers een model ontwikkelen dat echte tau-neutrinosignalen van andere bronnen kan onderscheiden.
"Met meer dan 100 miljoen trainbare parameters zouden onze CNN's alle tau-neutrinonaalden uit de hooiberg van achtergronden kunnen halen", aldus prof. Cowen.
Zeven tau-neutrinokandidaten
De onderzoekers verwachtten zes tau-neutrino's te zien, maar zagen er uiteindelijk zeven. Dit is een voortzetting van hun werk uit 2013 toen IceCube met succes honderden muon-neutrino's en een elektron-anti-neutrino uit een zwart gat identificeerde.
Hun analyse bevestigde dat alle soorten neutrino's zich gedroegen zoals verwacht, zelfs na het afleggen van astronomische afstanden en bij buitengewoon hoge energieën, waarbij elk van de zeven een energie van 20 TeV of hoger had. Ter referentie:1 TeV komt overeen met de bewegingsenergie van een vliegende mug.
‘We kunnen er zeker van zijn dat onze zeven tau-neutrino’s afkomstig zijn uit astrofysische bronnen, omdat bronnen van neutrino’s op aarde, zoals de atmosfeer, op deze energieschaal geen tau-neutrino’s kunnen produceren. De zeven tau-neutrino’s vormen dus een krachtige bevestiging van de ontdekking uit 2013 door IceCube van astrofysische neutrino's", aldus prof. Cowen.
Het feit dat alle drie de neutrinosmaken werden bevestigd, is veelzeggend. Dit komt omdat neutrino's het vermogen hebben om tussen smaken te wisselen wanneer ze door de ruimte reizen, een fenomeen dat neutrino-oscillaties wordt genoemd.
Het is pas de eerste keer dat onderzoekers kunnen bevestigen dat neutrino-oscillaties optreden bij zulke hoge energieën en lange afstanden.
Hoewel de onderzoekers niet met 100% zekerheid kunnen zeggen dat de zeven signalen tau-neutrino's zijn, hebben ze vertrouwen in hun voorspellingen. Volgens hun statistische analyse is er een kans van één op 3,5 miljoen dat het waargenomen signaal te wijten is aan willekeurige fluctuaties in de gegevens.
"Grof gezegd heeft een van onze zeven gebeurtenissen een kans van 25% om een astrofysisch elektron of muon-neutrino te zijn en niet een tau-neutrino", voegde prof. Cowen eraan toe.
Patroonherkenning en astrofysische bronnen
Een van de interessante observaties van de onderzoekers was hoe de CNN's de patronen identificeerden die door de tau-neutrino's waren achtergelaten. Het dubbele cascadepatroon is een kenmerk van tau-neutrino's en waar de onderzoekers dachten dat de gevoelige analyse op zou vertrouwen.
Wat ze opmerkten was echter veel interessanter. Hoewel sommige van de zeven signalen dit kenmerkende patroon vertoonden, hadden verschillende dat niet.
"Vervolgens hebben we vastgesteld dat de CNN's zich feitelijk op het algemene patroon van het licht hadden gericht dat door de twee lichtbollen werd geproduceerd en ongevoelig waren voor het signaalpatroon in individuele sensoren", legt prof. Cowen uit.
Dit betekent dat de CNN's naar het algemene patroon keken, inclusief de aangrenzende fotonen rond de twee lichtpuntjes.
De relevantie van deze bevinding strekt zich uit tot aan de oorsprong van de hoogenergetische neutrino's zelf.
"Terwijl we onze technieken voor het vinden van tau-neutrino's verfijnen en hun eigenschappen bepalen op basis van de patronen die ze in onze detector produceren, verwachten we dat we hun aanwijsvermogen kunnen gebruiken om naar astrofysische bronnen te zoeken, misschien nieuwe te ontdekken of ons huidige beeld van neutrino's aan te scherpen. het galactische centrum", concludeerde prof. Cowen.