Sept neutrinos rares de haute énergie découverts dans une gigatonne de glace claire : ScienceAlert | Dmshaulers

Sept neutrinos rares de haute énergie découverts dans une gigatonne de glace claire : ScienceAlert

Environ un billion petites particules appelées neutrinos passe à travers toi à chaque seconde. Ces neutrinos « reliques » ont été créés lors du Big Bang et existent dans tout l’univers, mais ils ne peuvent pas vous faire de mal. En fait, un seul d’entre eux est susceptible de toucher un atome de votre corps au cours de votre vie.

La plupart des neutrinos produits par des objets comme les trous noirs ont beaucoup plus d’énergie que les trinos reliques flottant dans l’espace. Bien que beaucoup plus rares, ces neutrinos énergétiques sont plus susceptibles de s’écraser sur quelque chose et de créer un signal à ce sujet. des physiciens comme moi peut détecter. Mais pour les détecter, les physiciens des neutrinos ont dû construire de très grandes expériences.

glaçageune de ces expériences a documenté un type particulièrement rare de neutrino astrophysique particulièrement énergétique, je une étude publiée en avril 2024. Ces neutrinos énergétiques se font souvent passer pour d’autres types de neutrinos plus courants. Mais pour la première fois, mes collègues et moi avons réussi à les découvrir, en extrayant quelques-unes de près de 10 ans de données.

Leur présence rapproche les chercheurs comme moi de la résolution du mystère de la production initiale de particules de haute énergie telles que les neutrinos astrophysiques.

Observatoire IceCube

Que Observatoire de neutrinos IceCube est le gorille de 800 livres des grandes expériences sur les neutrinos. Il a environ 5 000 capteurs qui étudie attentivement une gigatonne de glace sous le pôle Sud depuis plus d’une décennie. Lorsqu’un neutrino entre en collision avec un atome dans la glace, il produit une boule de lumière captée par les capteurs.

IceCube a découvert des neutrinos créés à plusieurs endroits, comme l’atmosphère terrestremilieu de Voie lactée et trous noirs dans d’autres galaxies à plusieurs années-lumière.

Mais le neutrino tau, un type de neutrino particulièrement énergétique, a échappé à IceCube – jusqu’à présent.

IceCube repose sur des tonnes de glace transparente, permettant aux chercheurs de voir les interactions des neutrinos. (Cmichel67/Wikimedia Commons, CC BY-SA)

Saveur neutrino

Les neutrinos entrent trois types différents, que les physiciens appellent des saveurs. Chaque saveur laisse une empreinte distincte sur un détecteur comme l’IceCube.

Lorsqu’un neutrino heurte une autre particule, il produit généralement une particule chargée correspondant à sa saveur. Un neutrino muonique produit un muon, un neutrino électronique produit un électron et un neutrino tau produit un tau.

Les neutrinos à saveur de muon ont la signature la plus distinctive, c’est pourquoi mes collègues et moi-même de la collaboration IceCube les avons naturellement recherchés en premier. Le muon émis lors d’une collision muon-neutrino traversera des centaines de mètres de glace, formant une longue traînée de lumière détectable avant de se désintégrer. Cette trace permet aux chercheurs de retracer l’origine du neutrino.

L’équipe a ensuite étudié les neutrinos électroniques, dont les interactions produisent une boule de lumière à peu près sphérique. L’électron produit par une collision électron-neutrino ne se désintègre jamais, heurtant chaque particule de glace à proximité. Cette interaction laissant une boule de lumière en expansion dans le sillage avant que l’électron ne s’immobilise enfin.

Comme la direction du neutrino électronique est très difficile à distinguer à l’œil nu, les physiciens d’IceCube ont utilisé techniques d’apprentissage automatique pour indiquer l’endroit où les neutrinos électroniques auraient pu être créés. Ces techniques utilisent des ressources informatiques sophistiquées et ajustent des millions de paramètres pour séparer les signaux de neutrinos de tous les bruits de fond connus.

La troisième saveur du neutrino, le neutrino tau, est le caméléon du trio. Un neutrino tau peut apparaître comme une traînée de lumière, tandis que le suivant peut apparaître comme une sphère. La particule tau créée par la collision se déplace pendant une infime fraction de seconde avant de se désintégrer, et lorsqu’elle se désintègre, elle produit généralement une boule de lumière.

Ces neutrinos tau créer deux boules de lumière, celui où ils frappent initialement quelque chose et créent une corde, et celui où la corde elle-même se désintègre. La plupart du temps, la particule tau se désintègre après avoir parcouru une très courte distance, ce qui provoque un tel chevauchement des deux sphères de lumière qu’il est impossible de les distinguer d’une seule sphère.

Mais à des énergies plus élevées, la particule tau émise peut parcourir des dizaines de mètres, créant ainsi deux sphères de lumière séparées l’une de l’autre. Les physiciens armés de ces techniques d’apprentissage automatique peuvent chercher l’aiguille dans la botte de foin.

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À mesure que les neutrinos se déplacent dans IceCube, une petite fraction d’entre eux interagira avec les atomes de la glace et produira de la lumière captée par les capteurs. Dans la vidéo, les sphères représentent des capteurs individuels, la taille de chaque sphère étant proportionnelle à la quantité de lumière qu’elle détecte. Les couleurs indiquent l’heure d’arrivée relative de la lumière en fonction des couleurs de l’arc-en-ciel, le rouge arrivant le plus tôt et le violet le plus tard.

Neutrinos tau énergétiques

Grâce à ces outils informatiques, l’équipe a réussi à extraire sept neutrinos tau candidats puissants à partir d’environ 10 ans de données. Ces taus avaient des énergies plus élevées que même les accélérateurs de particules les plus puissants sur Terre, ce qui signifie qu’ils devaient provenir de sources astrophysiques, telles que les trous noirs.

Ces données confirment les IceCubes découverte précédente des neutrinos astrophysiques, et ils confirment un indice qu’IceCube avait précédemment collecté des neutrinos tau astrophysiques.

Ces résultats suggèrent également que même aux énergies les plus élevées et sur de grandes distances, les neutrinos se comportent à peu près de la même manière comme ils le font à des énergies plus basses.

En particulier, la détection de neutrinos astrophysiques du tau confirme que les neutrinos énergétiques provenant de sources lointaines changer de goût, ou swinguer. Les neutrinos à des énergies beaucoup plus faibles, parcourant des distances beaucoup plus courtes, oscillent également de la même manière.

À mesure qu’IceCube et d’autres expériences sur les neutrinos recueillent davantage de données et que les scientifiques parviennent mieux à distinguer les trois types de neutrinos, les scientifiques pourront éventuellement deviner comment sont produits les neutrinos provenant des trous noirs. Nous voulons également découvrir l’espace entre la Terre et ces lointains accélérateurs de neutrinos astrophysiques. traite les particules différemment en fonction de leur masse.

Il y aura toujours moins de neutrinos tau énergétiques et leurs cousins ​​muons et électroniques par rapport aux neutrinos plus courants provenant du Big Bang. Mais il y en a suffisamment pour aider les scientifiques comme moi à rechercher les émetteurs de neutrinos les plus puissants de l’univers et à étudier l’espace illimité qui les sépare.La conversation

Doug Cowenprofesseur de physique et professeur d’astronomie et d’astrophysique, État de Pennsylvanie

Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire article original.

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