Astronomi pronašli sedam astrofizičkih tau neutrino čestica

U novom znanstvenom proboju, Opservatorij IceCube na Južnom polu otkrio je sedam astrofizičkih tau neutrino čestica, otvarajući novo poglavlje u razumijevanju svemira. Ovo izvanredno otkriće, objavljeno u prestižnom časopisu Physical Review Letters i dostupno na otvorenom serveru arXiv, rezultat je međunarodne suradnje koja uključuje tim istraživača sa Sveučilišta Penn State. Pronalazak ovih rijetko viđenih čestica pruža uvid u najdublje tajne kozmičkih fenomena, označavajući početak nove ere u astrofizičkim istraživanjima.

Važnost tau neutrino čestica

Neutrini su iznimno malene, slabo interaktivne subatomske čestice koje mogu putovati ogromne udaljenosti kroz svemir bez da ih išta omete. Zahvaljujući ovoj karakteristici, neutrini nam omogućuju uvid u najdublje tajne svemira, vraćajući se neposredno od svojih izvorišta. Posebno, neutrini koji dolaze iz dubokog svemira, izvan granica naše galaksije, poznati su kao astrofizički neutrini. Ovi “kozmički poslanici” javljaju se u tri oblika: elektron, mion i tau, pri čemu je detekcija astrofizičkih tau neutrina izuzetno izazovna.

“U 2013. godini, IceCube je prvi put dokazao postojanje neutrino čestica visoke energije koje dolaze iz kozmičkih akceleratora, otvarajući time novo poglavlje u astronomiji,” istaknuo je Doug Cowen, profesor fizike i astronomije i astrofizike na Sveučilištu Penn State, jedan od ključnih članova istraživačkog tima. “Ovo novo otkriće donosi uzbudljive mogućnosti za daljnje istraživanje tau neutrina i njihov potencijal u otkrivanju novih aspekata fizike.”

IceCube detektira neutrino čestice pomoću niza digitalnih optičkih modula (DOM-ova) koji su ukopani duboko u antarktički led. Kada neutrini dođu u kontakt s atomskim jezgrama u ledu, stvaraju se nabijene čestice koje zrače plavom svjetlošću. Ova svjetlost se zatim detektira i obrađuje pomoću DOM-ova, stvarajući specifične uzorke. Jedan od tih uzoraka, poznat kao dvostruka kaskada, signalizira interakciju visokoenergetskih tau neutrino čestica unutar detektora.

Konvolucijska neuronska mreža

Ranije analize IceCube-a naznačile su postojanje finoće potpisa koje stvaraju astrofizički tau neutrini, što je dodatno motiviralo znanstvenike da tragaju za ovim izmuzljivim česticama. Analizirajući podatke svakog potencijalnog događaja povezanog s tau neutrinima, istraživači su koristili konvolucijske neuronske mreže (CNN), specijalizirane za analizu slika, kako bi razlikovali događaje uzrokovane tau neutrinima od ostalih.

Primjenom ove tehnike na podatke prikupljene tijekom deset godina, od 2011. do 2020., identificirano je sedam značajnih događaja koji odgovaraju interakcijama tau neutrino čestica. “Otkriće sedam događaja koji odgovaraju tau neutrino česticama, s obzirom na vrlo malu vjerojatnost pozadinske buke, omogućuje nam s velikom sigurnošću tvrditi da se ne radi o slučajnoj pojavi,” naglasio je Cowen. “S obzirom da tau neutrini s energijama koje smo promatrali mogu proizlaziti samo iz astrofizičkih izvora, njihova detekcija dodatno potvrđuje prethodno otkriće astrofizičkog toka neutrino čestica koje je IceCube napravio.”

Cowen je dodao kako je vjerojatnost da pozadinski šum imitira pravi signal procijenjena na manje od jedan u 3,5 milijuna, što odgovara statističkoj značajnosti većoj od pet sigma, zlatnom standardu za potvrdu otkrića u fizici.

Buduće analize

Buduće studije će proširiti analizu na veći broj detektorskih nizova IceCube-a, s obzirom da se ova studija oslanjala samo na tri najosvjetljenija. Takav pristup bi omogućio prikupljanje većeg broja podataka o tau neutrino česticama, što bi zauzvrat omogućilo prvu analizu promjene vrste neutrino čestica – poznatu kao oscilacija neutrino čestica – na kozmološkim udaljenostima. To bi znanstvenicima pružilo uvid u mehanizme proizvodnje neutrino čestica iz astrofizičkih izvora i svojstva prostora kroz koji neutrini prolaze.

Trenutačno ne postoji specifično razvijen alat za određivanje energije i smjera tau neutrino čestica koje stvaraju zapažene potpise. Razvoj takvog algoritma koji bi radio u stvarnom vremenu omogućio bi preciznije razlikovanje potencijalnih signala tau neutrino čestica od pozadinskog šuma i pomogao bi u identifikaciji kandidata za tau neutrino čestice na Južnom polu. U skladu s trenutnim protokolima IceCube-a za upozorenja u stvarnom vremenu za druge vrste neutrino čestica, moguće je i izdavanje upozorenja za tau neutrino čestice koje bi potaknula dodatna astronomska istraživanja.