Obserwatorium zakopane pod Antarktydą odkryło siedem „cząstek duchów”

Naukowcy analizujący dane z IceCube odkryli siedmiu potencjalnych kandydatów wykazujących cechy neutrin. Neutrina są cząstkami elementarnymi pochodzącymi z kosmosu należącymi do leptonów. Badacze pracujący na danych zebranych przez IceCube wykryli prawdopodobnie neutrina taonowe, powstałe w reakcji rozpadu taonu.  

Siedem potencjalnych sygnałów wykryto w danych obserwacyjnych zgromadzonych w ciągu 9,7 lat. Pokazuje to, jak bardzo nieuchwytne są te cząsteczki. Według badaczy w ciągu sekundy przez ciało człowieka przechodzi około 100 bilionów neutrin. Są to najmniejsze znane nam cząsteczki, co oznacza, że nie składają się z mniejszych fizycznych cząsteczek, mają charakter fundamentalny. Obecnie wyniki badań można przeczytać na serwerze arXiv, docelowo mają zostać opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”.  

Neutrina możemy podzielić na trzy grupy: elektronowe, mionowe i taonowe. Przy czym należy podkreślić, że neutrina taonowe są wyjątkowo trudne do określenia. Dlatego też odkrycie ich przez IceCube jest nie lada osiągnięciem.   

IceCube Neutrino Observatory lub po prostu IceCube  zlokalizowane jest na terenie Amundsen-Scott South Pole Station na Antarktydzie. Zostało ono umieszczone głęboko w lodzie, gdzie wprowadzono tysiące sferycznych czujników optycznych digital optical modules (DOMs). IceCube przeznaczone zostało do poszukiwania punktowych źródeł neutrin oraz zbadania najwyższych energii procesów astrofizycznych.  

IceCube wykrywa neutrina za pomocą DOM, których łącznie osadzono głęboko w lodzie 5160. W momencie, gdy neutrina oddziałują z cząsteczkami lodu, powstają naładowane cząsteczki, które podczas swojej podróży przez lód emitują niebieskie światło. Poszczególne DOM rejestrują i digitalizują ten sygnał. „Światło wytwarza charakterystyczne wzory, z których jeden to podwójne zdarzenia kaskadowe powstałe w wyniku interakcji wysokoenergetycznych neutrin taonowych w detektorze” – czytamy w artykule.  

Badacze zyskali nową motywację do poszukiwania neutrin, gdy wcześniejsze analizy wykazały pewne wskazówki z poszukiwań subtelnych sygnatur wytwarzanych przez neutrina taonowe. Każde wykryte podejrzane zdarzenie zostało wyrenderowane na trzy obrazy. Następnie, by odróżnić obrazy wytwarzane przez neutrina od obrazów wytwarzanych przez różne tła, badacze wytrenowali splotowe sieci neuronowe (CNN) zoptymalizowane pod kątem klasyfikacji obrazów.  

Przeprowadzone symulacje potwierdziły czułość na neutrina taonowe. W rezultacie bazując na danych zebranych w latach 2011-2020 naukowcy uzyskali siedem silnych potencjalnych zdarzeń na neutrina taonowe. „Prawdopodobieństwo naśladowania sygnału przez tło oszacowano na mniejsze niż jeden do 3,5 miliona” – dodaje jeden z badaczy, Doug Cowen.  

Tak małe cząstki pochodzące z głębi kosmosu są niezwykle trudne w obserwacji. Neutrina udało się uchwycić, jednak inne, takie jak hipotetyczny aksjon, wciąż pozostają nieuchwytne. Naukowcy mają nadzieję, że udowodnienie istnienia innych cząstek elementarnych pozwoli wytłumaczyć przynajmniej częściowo pochodzenie ciemnej materii we Wszechświecie.