Астрономы, использующие нейтринную обсерваторию IceCube, обнаружили семь кандидатов в «частицы-призраки», проносящиеся сквозь Землю. Сигналы позволяют предположить, что эти частицы являются тау-нейтрино.

Нейтрино – это частицы без заряда и практически без массы, которые проносятся со скоростями, близкими к скорости света. Из-за этих параметров нейтрино практически не взаимодействуют с другими частицами, поэтому их называют «частицами-призраками».

Высокоэнергетические нейтрино из космических источников на краю Млечного Пути называются «астрофизическими нейтрино». Они делятся на три разновидности: электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Все эти фантомные частицы очень сложно обнаружить, но задача IceCube – именно в этом. В 2013 году обсерватория впервые обнаружила астрофизические нейтрино, а теперь, похоже, зарегистрировала астрофизические тау-нейтрино.

Нейтринная обсерватория IceCube на антарктической станции Амундсен-Скотт. Источник: Jack Pairin / IceCube Collaboration



«Обнаружение семи событий-кандидатов тау-нейтрино позволяет утверждать, что крайне маловероятно, что фоны “сговорились создать семь самозванцев” тау-нейтрино», – говорит Дуг Коуэн, соавтор исследования.

Для обнаружения нейтрино, проходящих через Землю, IceCube использует цепочки цифровых оптических детекторов, DOM, в толще льда. В обсерватории 5160 таких DOM, которые ожидают взаимодействия нейтрино с молекулами льда и образования заряженных частиц. Когда заряженные частицы проходят сквозь лёд, DOM регистрируют черенковское излучение.

 Цифровые оптические модули IceCube до погружения под лёд. Источник: Kael Hanson / IceCube / NSF

Астрофизические тау-нейтрино взаимодействуют с молекулами льда и создают характерное излучение, включая двойное каскадное событие, проявляющееся двумя пиками, которые обнаруживают DOM.

Ранее IceCube уже уловил намёки на сигналы тау-нейтрино, но Коуэн и его коллеги стремились к более точным данным. Другие разновидности нейтрино могут быть обнаружены с помощью IceCube в реальном времени, но в настоящее время установка не способна регистрировать тау-нейтрино «на лету». Вместо этого охота за этими «космическими призраками» требует анализа архивных данных. Команда обучила нейронные сети, оптимизированные для классификации изображений, чтобы «просеять» почти 10 лет данных, собранных IceCube с 2011 по 2020 год, и найти признаки тау-нейтрино. Именно это и привело к обнаружению семи кандидатов тау-нейтрино.

Команда признаёт, что эти обнаружения могут быть результатом неправильной идентификации, но Коуэн объяснил, что вероятность этого составляет всего 1 из 3,5 миллионов.

Двойной сигнал, указывающий на то, что DOM обнаружили тау-нейтрино. Источник: Jack Pairin / IceCube Collaboration

В текущем исследовании использовались данные только с трёх цепочек детекторов, однако будущие анализы будут опираться на архивы с большего количества детекторов. Это не только увеличит выборку, но также поможет провести первое в истории исследование нейтринных осцилляций трёх поколений. Это явление  изменения нейтрино. Понимание осцилляций нейтрино может стать ключом к определению происхождения этих «частиц-призраков», их источников и причине перехода к следующим поколениям.

©