592
Близько трильйона крихітних частинок, які називаються нейтрино, проходять крізь вас щосекунди. Створені під час Великого вибуху, ці “реліктові” нейтрино існують у всьому Всесвіті, але вони не можуть вам зашкодити. Насправді, лише одна з них, ймовірно, злегка торкнеться атома у вашому тілі за все ваше життя.
Більшість нейтрино, вироблених такими об’єктами, як чорні діри, мають набагато більше енергії, ніж реліктові нейтрино, що літають у космосі. Хоча ці енергійні нейтрино трапляються набагато рідше, вони мають більше шансів врізатися в щось і створити сигнал, який фізики, такі як я, можуть виявити. Але щоб виявити їх, фізикам-нейтрино доводиться будувати дуже великі експерименти.
IceCube, один з таких експериментів, задокументував особливо рідкісний тип особливо енергійних астрофізичних нейтрино в дослідженні, опублікованому в квітні 2024 року. Ці енергійні нейтрино часто маскуються під інші, більш поширені типи нейтрино. Але нам з колегами вперше вдалося виявити їх, виокремивши кілька з майже 10-річного масиву даних.
Їх присутність ставить дослідників, таких як я, на крок ближче до розгадки таємниці того, як взагалі утворюються високоенергетичні частинки, такі як астрофізичні нейтрино.
Обсерваторія IceCube
Нейтринна обсерваторія IceCube – це 800-фунтова горила великих нейтринних експериментів. Вона має близько 5 000 датчиків, які вже більше десяти років пильно вдивляються в гігатонну товщу льоду під Південним полюсом. Коли нейтрино зіштовхується з атомом у льоду, воно утворює кулю світла, яку реєструють датчики.
IceCube виявив нейтрино, створені в кількох місцях, таких як атмосфера Землі, центр галактики Чумацький Шлях і чорні діри в інших галактиках, віддалених на багато світлових років.
Але тау-нейтрино, один з видів особливо енергійних нейтрино, вислизало від IceCube – до цього часу.
Смаки нейтрино
Нейтрино бувають трьох різних типів, які фізики називають смаками. Кожен смак залишає чіткий відбиток на детекторі, такому як IceCube.
Коли нейтрино зіштовхується з іншою частинкою, воно зазвичай утворює заряджену частинку, яка відповідає його смаку. Мюонне нейтрино створює мюон, електронне нейтрино – електрон, а тау-нейтрино – тау.
Нейтрино з мюонним ароматом мають найбільш виразний підпис, тому ми з колегами з IceCube, природно, шукали їх першими. Мюон, що випромінюється при зіткненні мюонних нейтрино, проходить через сотні метрів льоду, залишаючи довгий світловий слід, який можна виявити, перш ніж він розпадається. Цей трек дозволяє дослідникам відстежити походження нейтрино.
Далі команда дослідників розглянула електронні нейтрино, взаємодія яких призводить до утворення приблизно сферичної кулі світла. Електрон, що утворюється при зіткненні електронних нейтрино, ніколи не розпадається, і він вдаряється об кожну частинку льоду, до якої наближається. Ця взаємодія залишає по собі кулю світла, що розширюється, перш ніж електрон остаточно зупиняється.
Оскільки напрямок електронного нейтрино дуже важко розрізнити на око, фізики IceCube застосували методи машинного навчання, щоб вказати на те, де могли бути створені електронні нейтрино. Ці методи використовують складні обчислювальні ресурси та налаштовують мільйони параметрів, щоб відокремити сигнали нейтрино від усіх відомих фонів.
Третій різновид нейтрино, тау-нейтрино, є хамелеоном цієї трійці. Одне тау-нейтрино може виглядати як світлова доріжка, а інше – як куля. Тау-частинка, що утворюється при зіткненні, подорожує крихітну частку секунди, перш ніж розпадається, і коли вона розпадається, то зазвичай утворює кулю світла.
Ці тау-нейтрино створюють дві кулі світла: одну, де вони спочатку вдаряються об щось і створюють тау-частинку, і другу, де тау-частинка розпадається. Здебільшого тау-частинка розпадається, пролетівши лише дуже коротку відстань, внаслідок чого дві кулі світла накладаються одна на одну настільки, що їх неможливо відрізнити від однієї кулі.
Але при вищих енергіях випромінювана тау-частинка може пролетіти десятки метрів, в результаті чого дві кулі світла розділяються одна від одної. Фізики, озброєні методами машинного навчання, можуть бачити крізь це, щоб знайти голку в копиці сіна.
Коли нейтрино проходять крізь кубик льоду, крихітна частина з них взаємодіє з атомами в льоду і випромінює світло, яке фіксують датчики. На відео сфери представляють окремі сенсори, розмір кожної сфери пропорційний кількості світла, яке вона реєструє. Кольори вказують на відносний час прибуття світла, відповідно до кольорів веселки, де червоний колір прибуває раніше, а фіолетовий – пізніше.
Енергійні тау-нейтрино
За допомогою цих обчислювальних інструментів команді вдалося виділити сім сильних тау-нейтрино-кандидатів з даних за приблизно 10 років. Ці тау-нейтрино мали вищу енергію, ніж навіть найпотужніші прискорювачі частинок на Землі, а це означає, що вони мають походити з астрофізичних джерел, таких як чорні діри.
Ці дані підтверджують попереднє відкриття астрофізичних нейтрино, зроблене IceCube, і вони підтверджують натяк на те, що IceCube раніше зафіксував астрофізичні тау-нейтрино.
Ці результати також свідчать про те, що навіть при найвищих енергіях і на величезних відстанях нейтрино поводяться так само, як і при нижчих енергіях.
Зокрема, виявлення астрофізичних тау-нейтрино підтверджує, що енергійні нейтрино з далеких джерел змінюють смак, або осцилюють. Нейтрино з набагато нижчими енергіями, що пролітають набагато коротші відстані, також осцилюють так само.
По мірі того, як IceCube та інші нейтринні експерименти збиратимуть більше даних, а вчені стануть краще розрізняти три смаки нейтрино, дослідники врешті-решт зможуть здогадатися, як утворюються нейтрино, що приходять з чорних дір. Ми також хочемо з’ясувати, чи простір між Землею і цими далекими астрофізичними прискорювачами нейтрино поводиться з частинками по-різному залежно від їхньої маси.
Енергійних тау-нейтрино та їхніх мюонних і електронних родичів завжди буде менше порівняно з більш поширеними нейтрино, які походять з Великого вибуху. Але їх достатньо, щоб допомогти таким вченим, як я, шукати найпотужніші випромінювачі нейтрино у Всесвіті та вивчати безмежний простір між ними.
