Исследователи из Нейтринной обсерватории IceCube в Антарктиде обнаружили семь сигналов, которые потенциально могут указывать на тау-нейтрино, которые, как известно, трудно обнаружить, от астрофизических объектов.

Нейтрино — одни из самых неуловимых частиц для обнаружения из-за их чрезвычайно малой массы и слабого взаимодействия с веществом. Одной из причин интереса ученых к этим частицам является их способность путешествовать на большие расстояния, а это значит, что они могут хранить информацию об астрофизических процессах и объектах, происходящих далеко от нас.

Сотрудничество IceCube направлено на изучение этих нейтрино, наблюдая за следом, который они оставляют при взаимодействии или прохождении по льду на детекторах.

Настоящее исследование , опубликованное в журнале Physical Review Letters , подробно описывает, как IceCube наблюдал сигналы от нейтрино, семь из которых могли быть тау-нейтрино.

Исследователи использовали сверточные нейронные сети (CNN), чтобы проанализировать данные за 9,7 лет, собранные обсерваторией на Южном полюсе. Их главной задачей было различение трех «разновидностей» нейтрино, каждый из которых оставляет после себя одинаковые сигналы.

Мюонные, электронные и тау-нейтрино

Нейтрино бывает трех разновидностей или ароматов, как их называют в научном сообществе: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Это самые распространенные частицы с массой во Вселенной: 100 триллионов из них проходят через ваше тело каждую секунду!

Однако, как упоминалось ранее, их чрезвычайно трудно обнаружить, а отличить вкусы еще труднее.

«По сравнению с другими частицами, изолировать нейтрино особенно сложно из-за их слабого взаимодействия с веществом. Тау-нейтрино могут легко имитировать электронные или мюонные нейтрино, два других известных типа нейтрино, поэтому их изоляция еще сложнее», — объяснил профессор. Дуг Коуэн из штата Пенсильвания сообщил Phys.org, одному из соавторов исследования.

Нейтринная обсерватория IceCube состоит из тысяч оптических датчиков подо льдом, простирающихся на площади в один кубический километр на Южном полюсе. Когда нейтрино проходят по льду на детекторах, они оставляют следы двух типов: треки и каскады.

Как заметить разницу?

Следы — это наиболее распространенный тип структуры, остающейся после столкновения мюонных нейтрино со льдом, и они представляют собой прямые линии фотонов.

Каскады же встречаются реже. Эти узоры состоят из двух пятен или ярких пятен из-за первоначального взаимодействия со льдом и последующей задержки в электроне или тау-частице.

«Электронное нейтрино создает второй световой шар так близко к первому, что IceCube обнаруживает их как один шар. Напротив, тау-нейтрино может пройти около 10 метров, прежде чем распадется, образуя второй световой шар, который IceCube может различить. с самого начала», — сказал профессор Коуэн.

Проблема в том, что узоры на детекторах выглядят очень похожими, поэтому их трудно различить. Эта двусмысленность побудила исследователей использовать CNN, чтобы, как выразился профессор Коуэн, «обрабатывать множество моделей, которые способны создавать тау-нейтрино ».

CNN и шаблоны

«CNN были разработаны для того, чтобы отличать изображения, например изображения собак, от изображений кошек и делать это для разных пород, разного фона, разного освещения и так далее», — объяснил профессор Коуэн.

Это сделало их идеальными кандидатами для анализа данных, собранных нейтринной обсерваторией IceCube, и идентификации сигналов, принадлежащих тау-нейтрино.

Для обучения сети исследователи использовали данные моделирования, которые включали различные закономерности, соответствующие взаимодействиям тау-нейтрино и фоновому шуму .

В этом контексте фоновый шум относится к сигналам, которые могут быть вызваны другими астрофизическими источниками, но близко имитируют характеристики тау-нейтрино.

Обучая CNN сигналам тау-нейтрино и фоновому шуму, исследователи стремились разработать модель, способную отличать настоящие сигналы тау-нейтрино от других источников.

«Благодаря более чем 100 миллионам обучаемых параметров наши CNN могли бы извлечь все иглы тау-нейтрино из стога сена», — сказал профессор Коуэн.

Семь кандидатов тау-нейтрино

Исследователи ожидали увидеть шесть тау-нейтрино, но в итоге увидели семь. Это продолжение их работы 2013 года, когда IceCube успешно идентифицировал сотни мюонных нейтрино и электронное антинейтрино из черной дыры.

Их анализ подтвердил, что все разновидности нейтрино ведут себя так, как и ожидалось, даже после путешествия на астрономические расстояния и при чрезвычайно высоких энергиях, причем каждый из семи имеет энергию 20 ТэВ или выше. Для справки: 1 ТэВ эквивалентен энергии движения летающего комара.

«Мы можем быть уверены, что наши семь тау-нейтрино произошли из астрофизических источников, потому что источники нейтрино на Земле, такие как атмосфера, не могут производить тау-нейтрино в этом энергетическом масштабе. Таким образом, семь тау-нейтрино служат мощным подтверждением открытия IceCube в 2013 году астрофизические нейтрино», — сказал профессор Коуэн.

Тот факт, что все три аромата нейтрино были подтверждены, имеет большое значение. Это связано с тем, что нейтрино обладают способностью переключаться между ароматами во время путешествия в пространстве — явление, называемое нейтринными осцилляциями.

Лишь впервые исследователям удалось подтвердить, что нейтринные осцилляции происходят при таких высоких энергиях и на больших расстояниях.

Хотя исследователи не могут со 100% уверенностью сказать, что эти семь сигналов являются тау-нейтрино, они уверены в своих предсказаниях. Согласно их статистическому анализу, вероятность того, что наблюдаемый сигнал вызван случайными колебаниями данных, составляет один из 3,5 миллионов.

«Грубо говоря, одно из семи наших событий с вероятностью 25% может быть астрофизическим электронным или мюонным нейтрино, а не тау-нейтрино», — добавил профессор Коуэн.

Распознавание образов и астрофизические источники

Одно из интересных наблюдений, сделанных исследователями, заключалось в том, как CNN идентифицировали закономерности, оставленные тау-нейтрино. Двойной каскад является признаком тау-нейтрино и тем, на что, по мнению исследователей, будет опираться чувствительный анализ.

Однако то, что они заметили, было гораздо интереснее. Хотя некоторые из семи сигналов имели этот образец подписи, некоторые его не имели.

«Впоследствии мы определили, что CNN фактически сосредоточились на общей структуре света, излучаемого двумя световыми шарами, и были нечувствительны к структуре сигнала в отдельных датчиках», — объяснил профессор Коуэн.

Это означает, что CNN рассматривали общую картину, включая соседние фотоны вокруг двух ярких пятен.

Актуальность этого открытия распространяется вплоть до происхождения самих нейтрино высоких энергий.

«По мере того, как мы совершенствуем наши методы поиска тау-нейтрино и определения их свойств по закономерностям, которые они создают в нашем детекторе, мы ожидаем, что сможем использовать их способность наведения для поиска астрофизических источников, возможно, для открытия новых или уточнения нашего текущего изображения нейтрино из галактический центр», — заключил профессор Коуэн.