Siedem rzadkich, wysokoenergetycznych neutrin odkrytych w gigatonie czystego lodu: ScienceAlert

Około biliona Małe cząstki zwane neutrinami Przechodzi przez ciebie w każdej sekundzie. Te „ślady” neutrin powstały podczas Wielkiego Wybuchu i są obecne w całym wszechświecie, ale nie mogą cię skrzywdzić. Tak naprawdę tylko jeden z nich prawdopodobnie przez całe życie będzie lekko pukał plamkę w twoje ciało.

Większość neutrin jest wytwarzana przez obiekty Jak czarne dziury Zawierają znacznie więcej energii niż pozostałości neutrin unoszących się w przestrzeni. Chociaż te aktywne neutrina są rzadkie, istnieje większe prawdopodobieństwo, że zderzą się z czymś i wytworzą sygnał Fizycy tacy jak ja można wykryć. Aby je jednak wykryć, fizycy zajmujący się neutrinami musieli przeprowadzić bardzo duże eksperymenty.

kostka loduJeden z takich eksperymentów udokumentował szczególnie rzadki typ szczególnie energetycznego neutrina astrofizycznego Badanie opublikowane w kwietniu 2024 r. Te energetyczne neutrina są często maskowane jako inne, bardziej powszechne typy neutrin. Jednak po raz pierwszy wraz z moimi kolegami udało nam się je dostrzec, wyodrębniając kilka z danych z prawie 10 lat.

Ich istnienie przybliża badaczy takich jak ja o krok do rozwikłania tajemnicy, w jaki sposób w ogóle powstają cząstki wysokoenergetyczne, takie jak neutrina astrofizyczne.

Obserwatorium Kostek Lodu

the Obserwatorium Neutrino IceCube To ważący 800 funtów goryl z dużych eksperymentów z neutrinami. mam Około 5000 czujników który od ponad dziesięciu lat uważnie przygląda się gigatonom lodu pod Antarktydą. Kiedy neutrino uderza w atom w lodzie, wytwarza kulę światła rejestrowaną przez czujniki.

IceCube wykrył neutrina generowane w kilku miejscach, m.in atmosfera ziemskaśrodek droga Mleczna I Czarne dziury w innych galaktykach Kilka lat świetlnych stąd.

Ale neutrino taonowe, szczególnie aktywny typ neutrina, Ice Cube nie był w stanie dotrzeć aż do teraz.

Smaki Neutrino

Neutrina nadchodzą Trzy różne typyKtóre fizycy nazywają smakami. Każdy smak pozostawia wyraźny ślad na detektorze takim jak IceCube.

Kiedy neutrino zderza się z inną cząstką, zwykle wytwarza naładowaną cząstkę, która pasuje do jego smaku. Neutrino mionowe wytwarza mion, neutrino elektronowe wytwarza elektron, a neutrino taonowe wytwarza neutrino taonowe.

Neutrina o smaku mionowym mają najbardziej wyraźną sygnaturę, więc moi koledzy z projektu IceCube i ja naturalnie szukaliśmy ich w pierwszej kolejności. Mion wyemitowany w wyniku zderzenia neutrina mionowego przebije się przez setki metrów lodu, tworząc długą ścieżkę wykrywalnego światła, zanim ulegnie rozkładowi. Ścieżka ta pozwala badaczom prześledzić pochodzenie neutrina.

Następnie zespół przyjrzał się neutrinom elektronowym, których interakcje tworzą w przybliżeniu kulistą kulę światła. Elektron powstały w wyniku zderzenia neutrina elektronowego nigdy nie rozpada się, lecz zderza się z każdą cząstką lodu, która się do niego zbliży. Ta interakcja Pozostawia rozszerzającą się kulę światła po nim, zanim elektron w końcu się ustabilizuje.

Ponieważ bardzo trudno jest rozróżnić kierunek neutrina elektronowego gołym okiem, fizycy IceCube wdrożyli to Techniki uczenia maszynowego Aby wskazać, gdzie mogły powstać neutrina elektronowe. Techniki te wykorzystują zaawansowane zasoby obliczeniowe i dostosowują miliony parametrów w celu oddzielenia sygnałów neutrin od wszystkich znanych środowisk.

Trzeci rodzaj neutrina, neutrino tau, jest kameleonem całej trójki. Jedno neutrino taonowe może wyglądać jak ścieżka światła, podczas gdy inne może wyglądać jak kula. Cząstka tau powstała w wyniku zderzenia podróżuje przez ułamek sekundy, zanim ulegnie rozpadowi, a podczas rozpadu zwykle wytwarza kulę światła.

Te neutrina tau Stwórz dwie kule światła, gdzie najpierw zderzają się z jedną rzeczą i tworzą Tao, a drugą, gdzie samo Tao ulega rozpadowi. W większości przypadków cząstka tau rozpada się po przebyciu bardzo małej odległości, powodując, że dwie kule światła nakładają się na siebie w takim stopniu, że nie można ich odróżnić od pojedynczej kuli.

Jednak przy wyższych energiach wyemitowana cząstka tau może przebyć dziesiątki metrów, w wyniku czego dwie kule światła są oddzielone od siebie. Fizycy uzbrojeni w techniki uczenia maszynowego mogą to sprawdzić i znaleźć igłę w stogu siana.

border-frame=”0″ zezwolenie=”akcelerometr; automatyczne odtwarzanie; zapis do schowka; zaszyfrowane multimedia; żyroskop; obraz w obrazie; udostępnianie sieci” Referrerpolicy=”strict-Origin-when-cross-Origin”allowfullscreen>

Gdy neutrina przemieszczają się przez IceCube, niewielka ich część będzie wchodzić w interakcję z atomami w lodzie i wytwarzać światło, które rejestrują czujniki. Na filmie kulki reprezentują poszczególne czujniki, a wielkość każdej kulki jest proporcjonalna do ilości wykrytego światła. Kolory wskazują względny czas przybycia światła, zgodnie z kolorami tęczy, przy czym kolor czerwony pojawia się najwcześniej, a fiolet później.

Aktywne neutrina tau

Korzystając z tych narzędzi obliczeniowych, zespołowi udało się wyodrębnić siedem silnych kandydatów na neutrina taonowe z danych zgromadzonych na przestrzeni około 10 lat. Te tao mają energię wyższą niż nawet najpotężniejsze akceleratory cząstek na Ziemi, co oznacza, że ​​muszą pochodzić ze źródeł astrofizycznych, takich jak czarne dziury.

Dane te potwierdzają dane IceCube Poprzednie odkrycie neutrina astrofizyczne, Potwierdzają podpowiedź Wcześniej przechwycone astrofizyczne neutrina tau przez IceCube.

Wyniki te wskazują również, że nawet przy najwyższych energiach i na dużych odległościach Neutrina zachowują się w podobny sposób Podobnie jak przy niskich energiach.

W szczególności odkrycie astrofizycznych neutrin taonowych potwierdza, że ​​neutrina energetyczne pochodzą z odległych źródeł Smak zmienia się lub waha się. Neutrina o znacznie niższych energiach, które pokonują znacznie krótsze odległości, również oscylują w ten sam sposób.

W miarę jak IceCube i inne eksperymenty z neutrinami zbiorą więcej danych, a naukowcy będą coraz lepiej rozróżniać trzy rodzaje neutrin, badacze w końcu będą w stanie odgadnąć, w jaki sposób powstają neutrina pochodzące z czarnych dziur. Chcemy także wiedzieć, czy odległość między Ziemią a astrofizycznymi akceleratorami neutrin jest duża, czy nie Przetwarza cząsteczki w różny sposób w zależności od ich masy.

Zawsze będzie mniej energetycznych neutrin taonowych oraz ich kuzynów mionowych i elektronowych niż bardziej powszechnych neutrin pochodzących z Wielkiego Wybuchu. Ale to wystarczy, aby pomóc naukowcom takim jak ja w poszukiwaniu najpotężniejszych emiterów neutrin we wszechświecie i badaniu nieskończonej przestrzeni między nimi.

DogecoinProfesor Fizyki oraz Profesor Astronomii i Astrofizyki, Stan Pensylwania

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa Na licencji Creative Commons. Przeczytać Oryginalny artykuł.