Ученые только что поймали семь экзотических «частиц-призраков», когда они пронзили Землю

В обсерватории IceCube, расположенной в глубинах льдов Южного полюса, астрономам удалось обнаружить семь кандидатов в так называемые "призрачные частицы", пронизывающие Землю. Данные указывают на то, что эти частицы являются астрофизическими тау-нейтрино, играющими роль важных посланников между мощными космическими событиями высокой энергии и нами.

Нейтрино – это частицы без заряда и почти без массы, движущиеся в космосе со скоростями, приближающимися к скорости света. Из-за этих особенностей нейтрино практически не взаимодействуют с материей. Фактически, сквозь наше тело каждую секунду проходит около 100 триллионов таких частиц, но мы этого не ощущаем. Для взаимодействия нейтрино с частицей в нашем теле, если бы мы были детекторами нейтрино человеческого размера, пришлось бы ждать около 100 лет. Поэтому нейтрино и получили прозвище "призрачные частицы".

Астрофизические нейтрино – это высокоэнергетические нейтрино из космических источников на краю Млечного Пути, которые делятся на три типа: электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Все эти фантомные частицы крайне трудно обнаружить, но это и есть задача обсерватории IceCube. В 2013 году обсерватория впервые обнаружила астрофизические нейтрино, а теперь, кажется, удалось обнаружить именно тау-нейтрино, которые могут стать новым видом космических посланников.

Двойной импульсный сигнал, указывающий на то, что DOM обнаружили тау-нейтрино.

Для обнаружения нейтрино, проходящих сквозь Землю, IceCube использует цепочки золотистых шаров, называемых цифровыми оптическими модулями, или DOM, замороженных во льду. В обсерватории насчитывается 5160 таких DOM, глубоко зарытых в антарктические льды, которые ждут, когда нейтрино взаимодействуют с молекулами льда, порождая заряженные частицы. Эти частицы излучают голубой свет, регистрируемый DOM.

В частности, при взаимодействии высокоэнергетических астрофизических тау-нейтрино с молекулами возникает характерное излучение света, включая отличительное событие с двойным каскадом, которое вызывает два пика в уровнях обнаруженного света.

Ранее IceCube уже фиксировала подсказки о подписях тау-нейтрино, но исследователи хотели точно идентифицировать эти уклончивые частицы. Другие виды нейтрино могут быть обнаружены "в реальном времени", но для тау-нейтрино такая возможность отсутствует. Поиск этих конкретных космических призраков требует анализа десятилетнего архива данных. Вместо того чтобы самостоятельно заниматься поиском, команда обучила нейросети для классификации изображений, чтобы просеять почти 10 лет данных IceCube, собранных между 2011 и 2020 годами, в поисках подписей тау-нейтрино.

Это привело к обнаружению семи убедительных кандидатов в тау-нейтрино.

Команда признает возможность ошибочной идентификации, но вероятность того, что фон, обнаруженный DOM, имитирует этот сигнал, составляет всего 1 из 3,5 миллиона. Текущие результаты основаны только на трех цепочках детекторов DOM, но будущие анализы будут использовать больше ледяных "жемчужин". Это не только увеличит выборку обнаруженных тау-нейтрино, но и поможет ученым впервые провести трехпоколенное исследование осцилляций нейтрино, то есть явления, при котором нейтрино меняют "вкус", преодолевая огромные космологические расстояния.

Понимание осцилляций нейтрино может стать ключом к разгадке того, как эти призрачные частицы образуются, какие события заставляют их мчаться через космос и почему они со временем переходят в другие поколения.

"В общем и целом, это захватывающее открытие открывает интригующую возможность использовать тау-нейтрино для раскрытия новой физики", заключил исследователь.

Результаты исследования были опубликованы на архиве научных работ arXiv и приняты к публикации в журнале Physical Review Letters.