L'IceCube Neutrino Observatory, un telescopio per neutrini delle dimensioni di un chilometro cubo situato al Polo Sud, ha osservato un nuovo tipo di messaggero astrofisico. In un nuovo studio recentemente accettato per la pubblicazione come suggerimento dell'editore dalla rivista Physical Review Letters e disponibile su arXiv server di prestampa, la collaborazione IceCube, che include ricercatori della Penn State, ha presentato la scoperta di sette dei neutrini tau astrofisici, un tempo sfuggenti.
I neutrini sono minuscole particelle subatomiche che interagiscono debolmente e possono percorrere indisturbate distanze astronomiche. In quanto tali, possono essere ricondotti alle loro fonti, rivelando i misteri delle loro origini cosmiche. I neutrini ad alta energia che provengono dai confini più remoti oltre la nostra galassia sono chiamati neutrini astrofisici. Questi messaggeri cosmici sono disponibili in tre tipi diversi:elettrone, muone e tau, con i neutrini tau astrofisici che sono eccezionalmente difficili da definire.
"Nel 2013, IceCube ha presentato la sua prima prova di neutrini astrofisici ad alta energia provenienti da acceleratori cosmici, dando inizio a una nuova era nell'astronomia", ha affermato Doug Cowen, professore di fisica e di astronomia e astrofisica all'Eberly College of Science della Penn State e uno dei responsabili dello studio. "Questa nuova entusiasmante scoperta offre l'intrigante possibilità di sfruttare i neutrini tau per scoprire nuova fisica."
IceCube rileva i neutrini utilizzando stringhe di moduli ottici digitali (DOM), per un totale di 5.160 DOM incorporati nelle profondità del ghiaccio antartico. Quando i neutrini interagiscono con i nuclei nel ghiaccio, vengono prodotte particelle cariche che emettono luce blu, che viene registrata e digitalizzata dai singoli DOM, mentre viaggiano attraverso il ghiaccio. La luce produce modelli distintivi. Uno di questi modelli, chiamato eventi a doppia cascata, è indicativo di interazioni di neutrini tau ad alta energia all'interno del rilevatore.
Precedenti analisi di IceCube avevano visto tracce di queste sottili firme prodotte dai neutrini tau astrofisici, quindi i ricercatori sono rimasti motivati a individuare queste particelle sfuggenti. I ricercatori hanno trasformato i dati di ciascun potenziale evento di neutrino tau in immagini e poi hanno addestrato le reti neurali convoluzionali (CNN), un tipo di algoritmo di apprendimento automatico ottimizzato per la classificazione delle immagini, sulle immagini.
Ciò ha permesso ai ricercatori di distinguere le immagini prodotte dai neutrini tau dalle immagini prodotte da contesti diversi. Dopo aver eseguito simulazioni che hanno confermato la sua sensibilità ai neutrini tau, la tecnica è stata poi applicata a 10 anni di dati IceCube acquisiti tra il 2011 e il 2020. Il risultato è stato sette eventi forti di neutrini tau candidati.
"Il rilevamento di sette eventi candidati di neutrini tau nei dati, combinato con la quantità molto bassa di fondo atteso, ci consente di affermare che è altamente improbabile che i fondi cospirino per produrre sette impostori di neutrini tau", ha detto Cowen. "Poiché i neutrini tau alle energie osservate possono essere prodotti solo da fonti astrofisiche, la loro rilevazione fornisce anche una forte conferma della precedente scoperta di IceCube del flusso di neutrini astrofisici."
Cowen ha aggiunto che la probabilità che lo sfondo imiti il segnale è stata stimata inferiore a 1 su 3,5 milioni, corrispondente a una significatività superiore a cinque sigma, considerato il gold standard statistico per le nuove scoperte in fisica.
Le analisi future incorporeranno più stringhe di IceCube, poiché questo studio ha utilizzato solo le tre più illuminate. Una nuova analisi di questo tipo aumenterebbe il campione di neutrini tau che potrà poi essere utilizzato per eseguire il primo studio dei tre sapori del fenomeno in cui i neutrini cambiano sapore – chiamati oscillazioni dei neutrini – su distanze cosmologiche. Questo tipo di studio potrebbe affrontare questioni come il meccanismo di produzione dei neutrini da fonti astrofisiche e le proprietà dello spazio stesso attraverso il quale viaggiano i neutrini, hanno affermato i ricercatori.
Attualmente non esiste uno strumento specificatamente progettato per determinare l’energia e la direzione dei neutrini tau che producono le firme osservate in questa analisi. Un simile algoritmo potrebbe essere utilizzato in tempo reale per differenziare meglio un potenziale segnale di neutrino tau dallo sfondo e per aiutare a identificare i neutrini tau candidati al Polo Sud. Analogamente agli attuali avvisi in tempo reale emessi da IceCube per altri tipi di neutrini, gli avvisi per i neutrini tau potrebbero essere inviati alla comunità astronomica per studi di follow-up.
Circa 300 fisici provenienti da 59 istituzioni in 14 paesi compongono la collaborazione IceCube. Oltre a Cowen, gli autori dello studio della Penn State includono Derek Fox, professore associato di astronomia e astrofisica; i ricercatori post-dottorato Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton e Jan Weldert; e la studentessa laureata Daria V. Pankova.
Ulteriori informazioni: Osservazione di sette candidati astrofisici al neutrino tau con IceCube, arXiv (2024). DOI:10.48550/arXiv.2403.02516
Fornito dalla Pennsylvania State University
