I ricercatori dell'IceCube Neutrino Observatory in Antartide hanno trovato sette segnali che potrebbero potenzialmente indicare la presenza di neutrini tau, notoriamente difficili da rilevare, provenienti da oggetti astrofisici.
I neutrini sono alcune delle particelle più sfuggenti da rilevare a causa della loro massa estremamente bassa e delle deboli interazioni con la materia. Uno dei motivi per cui gli scienziati sono interessati a queste particelle è la loro capacità di percorrere lunghe distanze, il che significa che possono contenere informazioni sui processi astrofisici e sugli oggetti che accadono lontano da noi.
La collaborazione IceCube mira a studiare questi neutrini osservando la scia che lasciano quando interagiscono o attraversano il ghiaccio sui rilevatori.
Il presente studio, pubblicato in Physical Review Letters , descrive in dettaglio come IceCube ha osservato i segnali dei neutrini, sette dei quali potrebbero essere il neutrino tau.
I ricercatori hanno utilizzato le reti neurali convoluzionali (CNN) per vagliare 9,7 anni di dati raccolti dall’osservatorio al Polo Sud. La loro sfida principale era distinguere tra i tre "sapori" dei neutrini, che lasciano tutti segnali simili.
Il neutrino è disponibile in tre varianti, o sapori, come sono conosciuti nella comunità scientifica:il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau. Sono le particelle con massa più abbondanti nell'universo, poiché 100 trilioni di esse attraversano il tuo corpo ogni secondo!
Tuttavia, come accennato in precedenza, sono notoriamente difficili da rilevare ed è ancora più difficile distinguerne i sapori.
"Rispetto ad altre particelle, isolare i neutrini è particolarmente impegnativo a causa delle loro deboli interazioni con la materia. I neutrini tau possono facilmente imitare i neutrini elettronici o muonici, gli altri due tipi conosciuti di neutrini, quindi isolarli è ancora più impegnativo", ha spiegato il Prof. Doug Cowen dalla Penn State a Phys.org, uno dei coautori dello studio.
L'Osservatorio IceCube Neutrino è costituito da migliaia di sensori ottici sotto il ghiaccio distribuito su un chilometro cubo al Polo Sud. Quando i neutrini attraversano il ghiaccio sui rilevatori, lasciano due tipi di tracce:tracce e cascate.
Come individuare la differenza?
Le tracce sono il tipo di schema più comune lasciato indietro quando i neutrini muonici si scontrano con il ghiaccio e sono linee rette di fotoni.
Le cascate, invece, sono meno comuni. Questi schemi consistono in due segnali luminosi o punti luminosi dovuti all'interazione iniziale con il ghiaccio e al successivo ritardo nella formazione di un elettrone o di una particella tau.
"Un neutrino elettronico forma una seconda sfera di luce così vicina alla prima che IceCube la rileva come una singola sfera. Al contrario, un neutrino tau può viaggiare per circa 10 metri prima di decadere, formando una seconda sfera di luce che IceCube può distinguere fin dall'inizio", ha affermato il Prof. Cowen.
La sfida è che i modelli appaiono molto simili sui rilevatori, rendendoli difficili da distinguere. Questa ambiguità ha portato i ricercatori a utilizzare le CNN per, come ha affermato il Prof. Cowen, "gestire la miriade di schemi che i neutrini tau sono in grado di produrre".
"Le CNN sono state progettate per distinguere le immagini, come le immagini di cani, dalle immagini di gatti e per farlo per razze diverse, sfondi diversi, illuminazione diversa e così via", ha spiegato il prof. Cowen.
Ciò li ha resi i candidati perfetti per vagliare i dati raccolti dall'Osservatorio dei neutrini IceCube e identificare i segnali appartenenti al neutrino tau.
Per addestrare la rete, i ricercatori hanno utilizzato dati di simulazione, che includevano vari modelli corrispondenti alle interazioni dei neutrini tau e al rumore di fondo.
In questo contesto, il rumore di fondo si riferisce a segnali che potrebbero essere causati da altre sorgenti astrofisiche ma che imitano da vicino le caratteristiche del neutrino tau.
Addestrando le CNN sui segnali dei neutrini tau e sul rumore di fondo, i ricercatori miravano a sviluppare un modello in grado di distinguere i segnali autentici dei neutrini tau da altre fonti.
"Con oltre 100 milioni di parametri addestrabili, le nostre CNN potrebbero estrarre tutti gli aghi dei neutrini tau dal pagliaio degli sfondi", ha affermato il prof. Cowen.
I ricercatori si aspettavano di vedere sei neutrini tau, ma alla fine ne hanno visti sette. Questo è la continuazione del loro lavoro del 2013, quando IceCube identificò con successo centinaia di neutrini muonici e un antineutrino elettronico da un buco nero.
La loro analisi ha confermato che tutti i tipi di neutrini si sono comportati come previsto anche dopo aver percorso distanze astronomiche e ad energie estremamente elevate, con ciascuno dei sette neutrini con energia di 20 TeV o superiore. Per riferimento, 1 TeV equivale all'energia del movimento di una zanzara volante.
"Possiamo essere certi che i nostri sette neutrini tau provenissero da fonti astrofisiche perché le fonti di neutrini sulla Terra, come l'atmosfera, non possono produrre neutrini tau a questa scala energetica. I sette neutrini tau forniscono quindi una potente conferma della scoperta del 2013 da parte di IceCube di neutrini astrofisici", ha detto il Prof. Cowen.
Il fatto che tutti e tre i gusti dei neutrini siano stati confermati è significativo. Questo perché i neutrini hanno la capacità di passare da un sapore all'altro quando viaggiano nello spazio, un fenomeno chiamato oscillazioni dei neutrini.
È solo la prima volta che i ricercatori sono riusciti a confermare che le oscillazioni dei neutrini si verificano a energie così elevate e a lunghe distanze.
Sebbene i ricercatori non possano affermare con certezza al 100% che i sette segnali siano neutrini tau, sono fiduciosi nelle loro previsioni. Secondo la loro analisi statistica, esiste una possibilità su 3,5 milioni che il segnale osservato sia dovuto a fluttuazioni casuali nei dati.
"In parole povere, uno dei nostri sette eventi ha una probabilità del 25% di essere un neutrino astrofisico elettronico o muonico e non un neutrino tau", ha aggiunto il Prof. Cowen.
Una delle osservazioni interessanti fatte dai ricercatori è stata il modo in cui la CNN identificava gli schemi lasciati dai neutrini tau. Il modello a doppia cascata è una firma dei neutrini tau e ciò su cui i ricercatori pensavano si sarebbe basata l'analisi sensibile.
Tuttavia, ciò che hanno notato è stato molto più interessante. Sebbene alcuni dei sette segnali presentassero questo schema caratteristico, molti altri no.
"Successivamente abbiamo stabilito che la CNN si era effettivamente concentrata sullo schema generale della luce prodotta dalle due sfere luminose ed era insensibile allo schema del segnale nei singoli sensori", ha spiegato il prof. Cowen.
Ciò significa che le CNN stavano osservando lo schema generale, compresi i fotoni vicini attorno ai due punti luminosi.
La rilevanza di questa scoperta si estende fino all'origine dei neutrini stessi ad alta energia.
"Mentre affiniamo le nostre tecniche per trovare neutrini tau e determinare le loro proprietà dai modelli che producono nel nostro rivelatore, prevediamo di essere in grado di usare la loro capacità di puntamento per cercare sorgenti astrofisiche, magari scoprendone di nuove o affinando la nostra attuale immagine dei neutrini da il centro galattico", ha concluso il Prof. Cowen.
Ulteriori informazioni: R. Abbasi et al, Osservazione di sette candidati astrofisici tau neutrini con IceCube, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.151001. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2403.02516
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