強力な天体から送られる珍しいタイプの高エネルギーニュートリノ

約1兆 ニュートリノと呼ばれる小さな粒子 毎秒あなたを通過します。 ビッグバン中に生成されたこれらの「遺物」ニュートリノは宇宙全体に存在しますが、人体に害を与えることはできません。 実際、あなたの体内の原子を軽く叩く可能性があるのは、一生のうちにそのうちの 1 つだけです。

物体によって生成されるニュートリノのほとんど ブラックホールなどの 宇宙を漂う遺物ニュートリノよりもはるかに多くのエネルギーを持っています。 はるかにまれではありますが、これらの高エネルギーニュートリノは何かに衝突して、 私のような物理学者 を検出できます。 しかし、ニュートリノを検出するには、ニュートリノ物理学者は非常に大規模な実験を構築する必要がありました。

アイスキューブ、そのような実験の1つでは、特に珍しいタイプの特に高エネルギーの天体物理ニュートリノを記録しました。 2024年4月に発表された研究。 これらの高エネルギーニュートリノは、他のより一般的なタイプのニュートリノを装うことがよくあります。 しかし、同僚と私は初めて、ほぼ 10 年分のデータからいくつかを抽出し、それらを検出することに成功しました。

彼らの存在により、私のような研究者は、天体物理学ニュートリノのような高エネルギー粒子がそもそもどのようにして生成されるのかという謎の解明に一歩近づくことができます。

アイスキューブ天文台

の IceCubeニュートリノ観測所 大型ニュートリノ実験の体重800ポンドのゴリラです。 それは持っています 約5,000個のセンサー 彼らは10年以上もの間、南極の下にあるギガトンの氷を熱心に見つめてきました。 ニュートリノが氷の中の原子と衝突すると、光の球が生成され、それがセンサーに記録されます。

ニュートリノが IceCube を通過すると、そのごく一部が氷内の原子と相互作用して光を生成し、それがセンサーに記録されます。 ビデオでは、球は個々のセンサーを表しており、各球のサイズは検出する光の量に比例します。 色は虹の色に応じた光の相対的な到着時間を示しており、赤が最も早く到着し、紫が最も遅く到着します。

IceCube は、次のようないくつかの場所で生成されたニュートリノを検出しました。 地球の大気の中心 天の川銀河 そして 他の銀河のブラックホール 何光年も離れたところに。

しかし、特にエネルギーの高いニュートリノの一種であるタウニュートリノは、これまで IceCube では発見されていませんでした。

ニュートリノのフレーバー

ニュートリノが入ってくる 3つの異なるタイプ、物理学者はフレーバーと呼んでいます。 各フレーバーは、IceCube のような検出器に明確な痕跡を残します。

ニュートリノが別の粒子に衝突すると、通常、その性質に対応する荷電粒子が生成されます。 ミューニュートリノはミューオンを生成し、電子ニュートリノは電子を生成し、タウニュートリノはタウを生成します。

ミューオンのフレーバーを持つニュートリノは最も特徴的な特徴を持っているため、IceCube コラボレーションに参加した同僚と私は自然に最初にそれらを検索しました。 ミューニュートリノの衝突によって放出されたミューオンは、崩壊する前に数百メートルの氷の中を移動し、検出可能な光の長い軌跡を作ります。 この追跡により、研究者はニュートリノの起源を追跡することができます。

次に研究チームは、電子ニュートリノに注目しました。電子ニュートリノの相互作用により、ほぼ球形の光の球が生成されます。 電子ニュートリノの衝突によって生成された電子は決して崩壊することがなく、近づいた氷の中のあらゆる粒子に衝突します。 このやりとり 広がる光の玉を残す 電子が最終的に静止する前に、そのあとに。

電子ニュートリノの方向を目で見分けるのは非常に難しいため、IceCube の物理学者は 機械学習技術 電子ニュートリノがどこで生成されたのかを指摘します。 これらの技術は、高度な計算リソースを使用し、数百万のパラメータを調整して、既知のすべてのバックグラウンドからニュートリノ信号を分離します。

ニュートリノの 3 番目のフレーバーであるタウ ニュートリノは、トリオのカメレオンです。 1 つのタウ ニュートリノは光の軌跡として表示され、次のタウ ニュートリノは球として表示されます。 衝突で生成されたタウ粒子は、崩壊するまでのほんの一瞬の間移動し、崩壊すると通常は光の球を生成します。

あのタウニュートリノは 2つの光の玉を作る1つは最初に何かにぶつかってタウを生成するもの、もう1つはタウ自体が崩壊するものです。 ほとんどの場合、タウ粒子はごく短い距離を移動しただけで崩壊し、2 つの光の球が重なりすぎて 1 つの球と区別できなくなります。

しかし、より高いエネルギーでは、放出されたタウ粒子は数十メートルも移動することができ、その結果、2つの光の球が互いに分離します。 これらの機械学習技術を備えた物理学者は、これを見破って干し草の山の中から針を見つけることができます。

エネルギー的なタウニュートリノ

これらの計算ツールを使用して、研究チームは約 10 年分のデータから 7 つの有力なタウ ニュートリノ候補を抽出することに成功しました。 これらのタウスは、地球上で最も強力な粒子加速器よりも高いエネルギーを持っていたため、ブラック ホールなどの天体物理学的源から来たものに違いありません。

このデータは IceCube の 早期の発見 天体物理学的ニュートリノ、 そして彼らはヒントを確認します IceCube は以前に天体物理学的タウニュートリノを捕捉していました。

これらの結果はまた、最高のエネルギーや長距離であっても、 ニュートリノもほぼ同じように振る舞う より低いエネルギーで行うのと同じです。

特に、天体物理学的タウニュートリノの検出は、遠方の発生源からの高エネルギーニュートリノが存在することを裏付けています。 フレーバーを変える、または振動する。 はるかに短い距離を移動するはるかに低いエネルギーのニュートリノも同様に振動します。

IceCube やその他のニュートリノ実験でより多くのデータが収集され、科学者が 3 つのニュートリノの種類を区別するのが上手になるにつれて、研究者は最終的にブラック ホールから来るニュートリノがどのように生成されるかを推測できるようになります。 また、地球とこれらの遠方の天体物理学的ニュートリノ加速器の間の空間が存在するかどうかも知りたいと考えています。 粒子の質量に応じて粒子を異なる方法で処理します。

ビッグバンから来るより一般的なニュートリノと比較して、高エネルギーのタウニュートリノとそのミューオンおよび電子のいとこは常に少なくなります。 しかし、私のような科学者が宇宙で最も強力なニュートリノ放出体を探し、その間の無限の空間を研究するのに役立つものは十分にあります。

ダグ・コーウェン ペンシルベニア州立大学の物理学の教授、天文学および天体物理学の教授です。 この記事はから転載されています 会話 の下で クリエイティブ・コモンズ・ライセンス。 読む 原著。