תגליות אחרונות במצפה הכוכבים של IceCube מאשרים זיהוי של ניטרינו טאו בעלי אנרגיה גבוהה, ושופכים אור על תנודת טעם הניטרינו ועל המקורות הקוסמיים של חלקיקים אלה. קרדיט: twoday.co.il.com
הזיהוי האחרון של IceCube Neutrino Observatory של נייטרינו טאו באנרגיה גבוהה, שרק נרמז בעבר, מסמן התקדמות משמעותית בהבנת הנייטרינים האסטרופיזיים.
ממצאים אלה מעשור של נתונים תומכים ברעיון שהנייטרינים מתנדנדים על פני מרחקים ואנרגיות עצומות, וחושפים פוטנציאל את מקורות הנייטרינים ממקורות קוסמיים כמו חורים שחורים.
IceCube מזהה סוג נדיר של נייטרינו אנרגטי שנשלח מאובייקטים אסטרונומיים רבי עוצמה
בערך טריליון חלקיקים זעירים הנקראים ניטרינו עוברים דרכך בכל שנייה. נוצרו במהלך המפץ הגדול, הניטרינו ה"שריד" הללו קיימים בכל היקום, אבל הם לא יכולים להזיק לך. למעשה, רק אחד מהם עשוי להקיש קלות על אָטוֹם בגוף שלך במשך כל חייך.
לרוב הניטרינו המיוצרים על ידי עצמים כמו חורים שחורים יש הרבה יותר אנרגיה מאשר הנייטרינו השרידים המרחפים בחלל. למרות שהם הרבה יותר נדירים, הניטרינו האנרגטיים הללו נוטים יותר להתרסק לתוך משהו וליצור אות שפיזיקאים כמוני יכולים לזהות. אבל כדי לזהות אותם, פיסיקאי ניטרינו נאלצו לבנות ניסויים גדולים מאוד.
IceCube, ניסוי כזה, תיעד סוג נדיר במיוחד של נייטרינו אסטרופיזי אנרגטי במיוחד במחקר שפורסם באפריל 2024. הנייטרינו האנרגטיים הללו מתחפשים לעתים קרובות לסוגים אחרים ונפוצים יותר של נייטרינו. אבל בפעם הראשונה, הקולגות שלי ואני הצלחנו לזהות אותם, ושלפו כמה מהם מתוך כמעט 10 שנות נתונים.
הנוכחות שלהם מקרבת חוקרים כמוני צעד אחד יותר לפענח את התעלומה של האופן שבו מיוצרים מלכתחילה חלקיקים אנרגטיים מאוד כמו נויטרינו אסטרופיזיקליים.
IceCube יושב על טונות של קרח צלול, ומאפשר למדענים לזהות אינטראקציות ניטרינו. קרדיט: כריסטופר מישל
מצפה IceCube
מצפה הניוטרינו IceCube הוא הגורילה במשקל 800 פאונד של ניסויי נייטרינו גדולים. יש לו כ-5,000 חיישנים שהציצו בתשומת לב לג'יגהטון של קרח מתחת לקוטב הדרומי במשך למעלה מעשור. כאשר ניטרינו מתנגש באטום בקרח, הוא מייצר כדור אור שהחיישנים מתעדים.
כאשר ניטרינו עוברים דרך IceCube, חלק זעיר מהם יקיים אינטראקציה עם אטומים בקרח ויפיקו אור, אותו מתעדים החיישנים. בסרטון, הכדורים מייצגים חיישנים בודדים, כאשר הגודל של כל כדור פרופורציונלי לכמות האור שהוא מזהה. הצבעים מציינים את זמן ההגעה היחסי של האור, לפי צבעי הקשת, כאשר האדום מגיע המוקדם והסגול המאוחר ביותר.
IceCube זיהה נייטרינים שנוצרו בכמה מקומות, כמו האטמוספירה של כדור הארץ, מרכז גלקסיית שביל החלב וחורים שחורים בגלקסיות אחרות במרחק שנות אור רבות.
אבל הנייטרינו הטאו, סוג אחד של ניטרינו אנרגטי במיוחד, חמק מ-IceCube – עד עכשיו.
טעמי ניוטרינו ואיתור שלהם
הניטרינו מגיעים בשלושה סוגים שונים, שהפיזיקאים קוראים להם טעמים. כל טעם משאיר חותם ברור על גלאי כמו IceCube.
כאשר ניטרינו חובט לתוך חלקיק אחר, הוא בדרך כלל מייצר חלקיק טעון שמתכתב עם הטעם שלו. ניטרינו מיאון מייצר מיאון, נייטרינו אלקטרונים מייצר אלקטרון, ונייטרינו טאו מייצר טאו.
לנוטרינו עם טעם מיאון יש את החתימה המיוחדת ביותר, כך שעמיתיי ואני בשיתוף הפעולה של IceCube חיפשנו באופן טבעי את אלה הראשונים. המיאון הנפלט מהתנגשות ניוטרינו של מיאון יעבור דרך מאות מטרים של קרח, ויעשה מסלול ארוך של אור שניתן לזהות, לפני שהוא מתכלה. מסלול זה מאפשר לחוקרים להתחקות אחר מקור הנייטרינו.
לאחר מכן, הצוות הסתכל על ניטרינו אלקטרונים, שהאינטראקציות ביניהם מייצרות כדור אור כדורי בערך. האלקטרון שנוצר בהתנגשות נייטרינו של אלקטרונים לעולם אינו מתכלה, והוא מתנגש בכל חלקיק בקרח שאליו הוא מתקרב. אינטראקציה זו משאירה כדור אור מתרחב בעקבותיו לפני שהאלקטרון סוף סוף מגיע למנוחה.
מכיוון שקשה מאוד להבחין בכיוון הניטרינו האלקטרוני בעין, הפיזיקאים של IceCube יישמו טכניקות של למידת מכונה כדי להצביע חזרה למקום שבו עשויים היו ליצור נייטרינו האלקטרונים. טכניקות אלו משתמשות במשאבי חישוב מתוחכמים ומכווננות מיליוני פרמטרים כדי להפריד אותות נייטרינו מכל הרקע המוכר.
הטעם השלישי של הניטרינו, הנייטרינו הטאו, הוא הזיקית של השלישייה. נייטרינו טאו אחד יכול להופיע כמסלול של אור, בעוד השני יכול להופיע ככדור. חלקיק הטאו שנוצר בהתנגשות נוסע לשבריר שנייה זעיר לפני שהוא מתפרק, וכשהוא מתפרק הוא בדרך כלל מייצר כדור אור.
הנייטרינו הטאו האלה יוצרים שני כדורי אור, אחד שבו הם מתנגשים בתחילה במשהו ויוצרים טאו, ואחד שבו הטאו עצמו מתפורר. רוב הזמן, חלקיק הטאו מתכלה לאחר שעבר רק מרחק קצר מאוד, מה שגורם לשני כדורי האור לחפוף עד כדי כך שלא ניתן להבחין ביניהם מכדור בודד.
אבל באנרגיות גבוהות יותר, חלקיק הטאו הנפלט יכול לעבור עשרות מטרים, וכתוצאה מכך שני כדורי אור נפרדים זה מזה. פיזיקאים חמושים באלה למידת מכונה טכניקות יכולות לראות דרך זה כדי למצוא את המחט בערימת השחת.
ניוטרינו טאו אנרגטיים
בעזרת הכלים החישוביים הללו, הצוות הצליח לחלץ שבעה נייטרינו טאו מועמדים חזקים מכ-10 שנים של נתונים. לטאוס אלה היו אנרגיות גבוהות יותר אפילו ממאיצי החלקיקים החזקים ביותר על פני כדור הארץ, מה שאומר שהם חייבים להיות ממקורות אסטרופיזיים, כמו חורים שחורים.
נתונים אלה מאשרים את הגילוי הקודם של IceCube של נויטרינו אסטרופיזיקלי, והם מאשרים רמז לכך ש-IceCube קלט בעבר נייטרינו טאו אסטרופיזיקליים.
תוצאות אלו גם מצביעות על כך שגם באנרגיות הגבוהות ביותר ובמרחקים עצומים, הנייטרינו מתנהגים באותה צורה שבה הם מתנהגים באנרגיות נמוכות יותר.
בפרט, זיהוי של ניטרינו טאו אסטרופיזיים מאשר שניטרינו אנרגטיים ממקורות מרוחקים משנים טעם, או מתנודדים. ניוטרינו באנרגיות נמוכות בהרבה שעוברות מרחקים קצרים בהרבה מתנודדים באותו אופן.
חורים שחורים, כמו זה באיור זה, יכולים לפלוט ניטרינו אנרגטיים. קרדיט: נאס"א / CXC / מ. וייס
כאשר ניסויי נייטרינו אחרים אוספים נתונים נוספים, ומדענים משתפרים בהבחנה בין שלושת טעמי הניטרינו, החוקרים יוכלו בסופו של דבר לנחש כיצד נוצרים ניטרינו שמגיעים מחורים שחורים. אנחנו גם רוצים לגלות האם החלל בין כדור הארץ ומאיצי הנייטרינו האסטרופיזיקליים הרחוקים הללו מתייחס לחלקיקים בצורה שונה בהתאם למסה שלהם.
תמיד יהיו פחות נייטרינו טאו אנרגטיים ובני דודיהם המיוונים והאלקטרונים בהשוואה לנייטרינו הנפוצים יותר שמגיעים מה המפץ הגדול. אבל יש מספיק שם בחוץ כדי לעזור למדענים כמוני לחפש את פולטי הנייטרינו החזקים ביותר ביקום ולחקור את החלל הבלתי מוגבל שביניהם.
נכתב על ידי דאג קאון, פרופסור לפיזיקה ופרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה, פן סטייט.
עיבוד ממאמר שפורסם במקור ב-The Conversation.
