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7 Tau-Neutrinos am IceCube-Observatorium entdeckt

Astronomen, die das Neutrino-Observatorium IceCube nutzen, haben sieben mögliche „Geisterteilchen“ entdeckt, die durch die Erde streifen. Die Signale deuten darauf hin, dass es sich bei diesen Teilchen um Tau-Neutrinos handelt.

Neutrinos sind Teilchen ohne Ladung und praktisch ohne Masse, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Aufgrund dieser Parameter interagieren Neutrinos praktisch nicht mit anderen Teilchen, weshalb sie „Geisterteilchen“ genannt werden.

Hochenergetische Neutrinos aus kosmischen Quellen am Rande der Milchstraße werden „astrophysikalische Neutrinos“ genannt. Sie werden in drei Typen unterteilt: Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. All diese Phantomteilchen sind sehr schwer zu erkennen, aber genau das ist das Ziel von IceCube. Das Observatorium entdeckte erstmals astrophysikalische Neutrinos im Jahr 2013 und scheint nun astrophysikalische Tau-Neutrinos entdeckt zu haben.

„Die Entdeckung von sieben Kandidaten-Tau-Neutrino-Ereignissen legt nahe, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass die Hintergründe „zusammengewirkt haben, um sieben betrügerische Tau-Neutrino-Ereignisse zu erzeugen“, sagt Doug Cowan, Co-Autor der Studie.

Um Neutrinos zu erkennen, die die Erde passieren, verwendet IceCube Reihen digitaler optischer Detektoren (DOMs) im Eis. Das Observatorium verfügt über 5.160 solcher DOMs, die darauf warten, dass Neutrinos mit Eismolekülen interagieren und geladene Teilchen erzeugen. Wenn geladene Teilchen Eis passieren, erkennen DOMs Tscherenkow-Strahlung.

Astrophysikalische Tau-Neutrinos interagieren mit Eismolekülen und erzeugen charakteristische Strahlung, einschließlich eines doppelten Kaskadenereignisses, das sich in zwei Peaks manifestiert, die das DOM erkennen.

IceCube hatte bereits zuvor Hinweise auf Tau-Neutrino-Signale erhalten, doch Cowan und seine Kollegen suchten nach genaueren Daten. Andere Arten von Neutrinos können mit IceCube in Echtzeit nachgewiesen werden, die Anlage ist jedoch derzeit nicht in der Lage, Tau-Neutrinos im laufenden Betrieb zu erkennen. Stattdessen erfordert die Suche nach diesen „Weltraumgeistern“ die Analyse von Archivdaten. Das Team trainierte für die Bildklassifizierung optimierte neuronale Netze, um fast zehn Jahre lang von IceCube zwischen 2011 und 2020 gesammelte Daten zu sichten, um Signaturen von Tau-Neutrinos zu finden. Dies führte zur Entdeckung von sieben möglichen Tau-Neutrinos.

Das Team räumt ein, dass diese Entdeckungen das Ergebnis einer falschen Identifizierung sein könnten, Cowan erklärte jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, nur 1 zu 3,5 Millionen beträgt.

Die aktuelle Studie verwendete Daten von nur drei Detektorketten, zukünftige Analysen werden sich jedoch auf Archive von mehr Detektoren stützen. Dies wird nicht nur die Probengröße erhöhen, sondern auch dazu beitragen, erstmals drei Generationen von Neutrino-Oszillationen zu untersuchen. Dies ist das Phänomen der Neutrinoveränderung. Das Verständnis der Neutrino-Oszillationen könnte der Schlüssel zur Bestimmung des Ursprungs dieser „Geisterteilchen“, ihrer Quellen und der Gründe dafür sein, warum sie an nachfolgende Generationen weitergegeben werden.

7 Tau-Neutrinos am IceCube-Observatorium entdeckt