Bilim insanları, Antarktika’daki IceCube Nötrino Gözlemevi’nden elde edilen veriler üzerinde yaptıkları bir çalışmada, tespit edilmesi oldukça zor olan yedi astrofiziksel tau nötrinosu keşfetti.
Her saniye tırnağınızdan yaklaşık yüz milyar nötrino geçer. Antarktika’daki IceCube Nötrino Gözlemevi on yıllık varlığı boyunca yaklaşık bir milyon enerjik nötrinonun sinyallerini kaydederek Evrendeki yüksek enerjili parçacık kaynakları hakkında bilgi verdi. Pastanın üzerindeki krema, hangi nötrino türünün (elektron, müon veya tau) belirli bir sinyal ürettiğini belirlemek olacaktır. Geçen yıl IceCube İşbirliği, tau nötrinolarıyla doğrudan ilişkili ilk aday sinyalleri ortaya çıkardı. Şimdi ekip, bu iki sinyalden birinin büyük olasılıkla bir tau nötrinosundan kaynaklandığını doğruladı ve diğer altı “olası tau” sinyalinin keşfini bildirdi.
Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nde (PSU) parçacık astrofizikçisi ve IceCube işbirliğinin bir üyesi olan Doug Cowen, tau nötrinolarını keşfettiğimizi kesin olarak ilan edemeyiz diyor.
Bununla birlikte, yedi sinyal bu parçacıklardan bekleyebileceğimiz tüm özellikleri sergiliyor.
IceCube İşbirliği, teleskop çevrimiçi olduktan kısa bir süre sonra, 2013 yılında kozmik nötrinoları keşfetti. Bu nötrinolar ve daha sonra keşfedilen diğerleri, nötrinoların 1 km3 optik olarak berrak buzul buzundan oluşan IceCube dedektöründeki atom çekirdekleriyle etkileşimleriyle keşfedildi. Bu tür etkileşimler, buzun içinden akan ve buza gömülü optik sensörlerin algıladığı mavi fotonları serbest bırakan yüklü parçacıklar üretir.
Bugüne kadar IceCube’ün nötrino kaynaklı foton desenleri “izler” ya da “basamaklar” olarak sınıflandırılmıştır. En tipik iz, dedektörün tüm uzunluğu boyunca uzanabilen ve bir müon nötrinosu dedektörün buzuyla çarpıştığında oluşan foton tespitlerinin düz bir çizgisi olarak görünen bir izdir. Öte yandan bir kaskat, onlarca ila yüzlerce metre yarıçaplı bir foton tespitleri topu olarak görünür ve bir elektron veya bir tau nötrinosu buzdaki bir atomla çarpıştığında oluşabilir.
Elektron ve tau nötrinoları tarafından yaratılan ardışık sinyalleri o kadar benzer olabilir ki foton desenlerinin ayrı bir parçacığa atfedilmesi zordur.
Bir elektron nötrinosu IceCube detektörü ile etkileşime girdiğinde, saçılmadan önce sadece kısa bir mesafe kat eden ve oldukça sınırlı bir foton topu ile sonuçlanan bir elektron üretir. Bir tau nötrinosu, elektronun ağır bir akrabası olan ve hem oluştuğunda hem de bozunduğunda bir foton topu yayan bir tau leptonu üretir. Bununla birlikte, bu iki basamak arasındaki boşluk genellikle o kadar küçüktür ki (birkaç milimetre veya santimetre) iki örüntü birleşir ve tek bir örüntü gibi görünür. Dedektörde farklı nesneler olarak ortaya çıkmaları için, basamakların birbirinden en az 10 m uzakta olması gerekir ki bu da yalnızca en yüksek enerjili tau nötrinoları için geçerlidir. İşbirliği bu parçacıkların sinyallerini keşfetti.
Cowen ve çalışma arkadaşları, on yılı aşkın IceCube Gözlemevi verilerinden olası sinyalleri çıkarmak için bir yapay zeka tekniği oluşturdu. Model, simüle edilmiş tau nötrinoları ve “sahte” olaylar veya arka plan gürültüsü tarafından üretilen çift kademeli modellerle eğitildi. Model, her biri 20 TeV veya daha fazla enerjiye sahip, yani güneş nötrinolarının normal MeV enerjilerinden bir milyon kat daha büyük olan yedi tau-nötrino aday olayı belirledi.
Yine PSU’dan Stephanie Wissel, IceCube’ün tekniğini dedektörlerdeki nadir olayları keşfetmede “ileriye doğru atılmış büyük bir adım” olarak tanımlıyor. Wissel, gözlemevinin planlanan uzantısı olan IceCube-Gen2 üzerinde çalışmasına rağmen IceCube İşbirliği’nin bir üyesi değil.
Wissel, yeni arama yaklaşımının anormal tau-nötrino olaylarını tespit edebilmesine rağmen, simüle edilen olayların sinyali doğru bir şekilde temsil ettiğini ve arka planın eğitim verilerinde doğru bir şekilde karakterize edildiğini varsaymak gibi sınırlamaları olduğunu gözlemliyor. Ancak Wissel, IceCube İşbirliği’nin “aramanın yanlış pozitiflere maruz kalmamasını sağlamak için birkaç akıl sağlığı kontrolü içerdiğini” gözlemliyor.
Cowen’a göre, aday olayların istatistiksel öneminin analizi, bunların başka bir parçacık veya olaydan kaynaklanma olasılığının 3,5 milyonda birden daha az olduğunu ortaya koydu.
Gözlemlenen tau nötrinolarının miktarı çok az gibi görünse de, Cowen bunun araştırmaya başlarken yaptıkları tahminlerle tutarlı olduğunu söylüyor.
Çok yüksek enerjili nötrinoların önceki ölçümlerine dayanarak dört ila sekiz tahmin ettik ve yedi tane bulduk, diyor.
Nötrinolar üç çeşit olmalıdır. Los Angeles’taki Kaliforniya Üniversitesi’nde nötrino fizikçisi olan David Saltzberg’e göre, ilk kez her üç türün de ultra yüksek enerjili astronomik kaynaklardan Dünya’ya geldiği doğrulandı. Salzberg’e göre modeller nötrinoların uzayda seyahat ederken tatlar arasında dalgalandıklarını gösteriyor, ancak bu salınımların bu kadar yüksek enerjilerde ve bu kadar geniş mesafelerde gerçekleşip gerçekleşmediği daha önce hiç gösterilmemişti. Salzberg, nötrino aromasına ilişkin standart modelimizde bir hata olsaydı, bunun bu sonuçla kendini gösterebileceğini de sözlerine ekliyor.
Bu zorlu mücadeleye rağmen, tipik model hayatta kalmaktadır.
Bulguların uzak astrofiziksel nötrino kaynaklarının anlaşılması açısından önemli çıkarımları var. IceCube işbirliğinin bir üyesi olmayan Ohio Eyalet Üniversitesi nötrino fizikçisi John Beacom’a göre, fizikçiler Dünya’da yaratılan elektron, müon ve tau nötrinolarının oranlarını anlıyorlar, ancak astronomik kaynaklar farklı bir başlangıç karışımına sahip nötrinolar üretebilir. “Belki başlangıç noktası aynıdır, belki de değildir, ama bunu ancak üç nötrino çeşidini de tespit ederek gerçekten öğrenebiliriz.” Beacom’a göre, IceCube bu yeteneğini kanıtladığına göre, araştırmacılar nötrino sektöründe yeni fizik arayabilecekler.
Tau nötrinolarının astrofiziksel önemi, Evreni gözlemlemenin diğer yollarına kadar uzanabilir, çünkü bir tau nötrinosunun tespiti, gökyüzünün belirli bir alanını incelemek için bir teleskop ağına işaret edebilir.
Bu tür çoklu-gönderici verileri, doğanın uzun süredir gizemini koruyan yüksek enerjili nötrinoları nerede ve nasıl ürettiğine ışık tutabilir. Cowen, “Ekip muhtemelen tau-nötrino tespitleri için gerçek zamanlı uyarılar gönderebilmekten birkaç yıl uzakta” dedi. “Ama bu ufukta görünüyor.”
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/58
