Il rilevamento di neutrini tau ad alta energia sta riscrivendo l’astrofisica / The detection of high-energy tau neutrinos is rewriting astrophysics
Il rilevamento di neutrini tau ad alta energia sta riscrivendo l’astrofisica / The detection of high-energy tau neutrinos is rewriting astrophysics
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
La recente rilevazione da parte dell’IceCube Neutrino Observatory di neutrini tau ad alta energia, precedentemente solo accennati, segna un progresso significativo nella comprensione dei neutrini astrofisici.
L’importanza dei neutrini tau ad alta energia
Questi risultati, raccolti in un decennio di dati, supportano l’idea che i neutrini oscillino attraverso grandi distanze ed energie, svelando potenzialmente le origini dei neutrini da fonti cosmiche come i buchi neri.
La maggior parte dei neutrini prodotti da oggetti come i buchi neri hanno molta più energia dei neutrini relitti che fluttuano nello Spazio. Sebbene siano molto più rari, questi neutrini tau ad alta energia hanno maggiori probabilità di schiantarsi contro qualcosa e creare un segnale che i fisici rilevano.
Gli esperimenti per riconoscere i neutrini tau ad alta energia
IceCube, in un esperimento, ha documentato un tipo particolarmente raro di neutrino astrofisico particolarmente energetico in uno studio pubblicato nell’aprile 2024 . Questi neutrini tau ad alta energia spesso si mascherano da altri tipi più comuni di neutrini. Ma per la prima volta un gruppo di fisici è riuscito a rilevarli, estraendone alcuni da quasi 10 anni di dati.
La loro presenza avvicina i ricercatori a svelare il mistero di come vengono prodotte le particelle altamente energetiche come i neutrini astrofisici.
L’IceCube Neutrino Observatory dispone di circa 5.000 sensori che hanno scrutato attentamente una gigatonnellata di ghiaccio sotto il Polo Sud per oltre un decennio. Quando un neutrino si scontra con un atomo nel ghiaccio, produce una sfera di luce che i sensori registrano.
IceCube ha rilevato neutrini creati in diversi luoghi, come l’ atmosfera terrestre, il centro della Via Lattea e buchi neri in altre galassie a molti anni luce di distanza. Ma i neutrini tau ad alta energia, un tipo di neutrino particolarmente energetico appunto, è sfuggito a IceCube, fino ad ora.
I neutrini sono disponibili in tre tipi diversi, che i fisici chiamano sapori. Ogni sapore lascia un’impronta distinta su un rilevatore come IceCube. Quando un neutrino si scontra con un’altra particella, di solito produce una particella carica che corrisponde al suo sapore. Un neutrino muonico produce un muone, un neutrino elettronico produce un elettrone ed un neutrino tau produce un tau.
I neutrini con un sapore muonico hanno la firma più distintiva, il gruppo di fisici li ha naturalmente cercati per primi. Il muone emesso da una collisione di neutrini muonici viaggerà attraverso centinaia di metri di ghiaccio, formando una lunga traccia di luce rilevabile, prima di decadere. Questa traccia consente ai ricercatori di risalire all’origine del neutrino.
Successivamente il gruppo ha esaminato i neutrini elettronici, le cui interazioni producono una sfera di luce approssimativamente sferica. L’elettrone prodotto dalla collisione di un neutrino elettronico non decade mai e si scontra con ogni particella del ghiaccio a cui si avvicina. Questa interazione lascia sulla sua scia una sfera di luce in espansione prima che l’elettrone finalmente si fermi.
Poiché la direzione del neutrino elettronico è molto difficile da discernere a occhio nudo, i fisici di IceCube hanno applicato tecniche di apprendimento automatico per indicare il punto in cui potrebbero essere stati creati i neutrini elettronici. Queste tecniche impiegano sofisticate risorse computazionali e mettono a punto milioni di parametri per separare i segnali dei neutrini da tutti i background conosciuti.
Il terzo sapore del neutrino, il neutrino tau, è il camaleonte del trio. Un neutrino tau può apparire come una traccia di luce, mentre il successivo può apparire come una palla. La particella tau creata nella collisione viaggia per una piccola frazione di secondo prima di decadere, e quando decade solitamente produce una palla di luce.
Quei neutrini tau creano due sfere di luce, una in cui inizialmente sbattono contro qualcosa e creano un tau, ed una in cui il tau stesso decade. Nella maggior parte dei casi, la particella tau decade dopo aver percorso solo una distanza molto breve, facendo sì che le due sfere di luce si sovrappongano così tanto da renderle indistinguibili da una singola sfera.
Energie più elevate, la particella tau emessa può viaggiare per decine di metri, formando due sfere di luce separate l’una dall’altra. I fisici dotati di queste tecniche di apprendimento automatico possono vedere attraverso questo e trovare l’ago nel pagliaio.
Con questi strumenti computazionali, il gruppo è riuscito a estrarre sette neutrini tau ad alta energia da circa 10 anni di dati. Questi tau avevano energie più elevate anche dei più potenti acceleratori di particelle sulla Terra, il che significa che devono provenire da fonti astrofisiche, come i buchi neri.
Questi dati confermano la precedente scoperta di neutrini astrofisici da parte di IceCube e confermano un indizio secondo cui IceCube aveva precedentemente rilevato neutrini tau ad alta energia.
Questi risultati hanno indicato anche che anche alle energie più elevate e su grandi distanze, i neutrini si comportano più o meno allo stesso modo che alle energie più basse. In particolare, la rilevazione di neutrini tau ad alta energia conferma che i neutrini energetici provenienti da sorgenti distanti cambiano sapore, o oscillano. Anche i neutrini a energie molto più basse che viaggiano su distanze molto più brevi oscillano allo stesso modo.
Conclusioni
Man mano che IceCube ed altri esperimenti sui neutrini raccoglieranno più dati e gli scienziati miglioreranno nel distinguere i tre sapori dei neutrini, i ricercatori saranno finalmente in grado di indovinare come vengono prodotti i neutrini che provengono dai buchi neri. I fisici vogliono anche scoprire se lo spazio tra la Terra e questi distanti acceleratori astrofisici di neutrini tratta le particelle in modo diverso a seconda della loro massa.
Ci saranno sempre meno neutrini tau ad alta energia ed i loro cugini muonici ed elettronici rispetto ai più comuni neutrini provenienti dal Big Bang, ma ce ne sono abbastanza per aiutare gli scienziati a cercare gli emettitori di neutrini tau ad alta energia nell’Universo ed a studiare lo Spazio illimitato.
ENGLISH
Recent discoveries at the IceCube Observatory confirm the detection of high-energy tau neutrinos, shedding light on neutrino flavor oscillation and the cosmic origins of these particles
The IceCube Neutrino Observatory's recent detection of high-energy tau neutrinos, previously only hinted at, marks a significant advance in the understanding of astrophysical neutrinos.
The importance of high-energy tau neutrinos
These results, compiled over a decade of data, support the idea that neutrinos oscillate across large distances and energies, potentially revealing the origins of neutrinos from cosmic sources such as black holes.
Most neutrinos produced by objects like black holes have much more energy than relict neutrinos floating in space. Although much rarer, these high-energy tau neutrinos are more likely to crash into something and create a signal for physicists to detect.
Experiments to recognize high-energy tau neutrinos
IceCube, in one experiment, documented a particularly rare type of energetic astrophysical neutrino in a study published in April 2024. These high-energy tau neutrinos often masquerade as other, more common types of neutrinos. But for the first time a team of physicists has managed to detect them, extracting some from almost 10 years of data.
Their presence brings researchers closer to unlocking the mystery of how highly energetic particles like astrophysical neutrinos are produced.
The IceCube Neutrino Observatory has around 5,000 sensors that have been peering intently at a gigatonne of ice beneath the South Pole for more than a decade. When a neutrino collides with an atom in ice, it produces a ball of light that sensors record.
IceCube has detected neutrinos created in several places, such as Earth's atmosphere, the center of the Milky Way, and black holes in other galaxies many light-years away. But high-energy tau neutrinos, a particularly energetic type of neutrino, have eluded IceCube, until now.
Neutrinos come in three different types, which physicists call flavors. Each flavor leaves a distinct imprint on a detector like IceCube. When a neutrino collides with another particle, it usually produces a charged particle that matches its flavor. A muon neutrino produces a muon, an electron neutrino produces an electron, and a tau neutrino produces a tau.
Neutrinos with a muon flavor have the most distinctive signature, the team of physicists naturally looked for them first. The muon emitted from a muon neutrino collision will travel through hundreds of meters of ice, forming a long trace of detectable light, before decaying. This trace allows researchers to trace the origin of the neutrino.
Next the team looked at electron neutrinos, whose interactions produce a roughly spherical ball of light. The electron produced by the collision of an electron neutrino never decays and collides with every ice particle it approaches. This interaction leaves an expanding ball of light in its wake before the electron finally comes to rest.
Because the direction of the electron neutrino is very difficult to discern with the naked eye, IceCube physicists applied machine learning techniques to pinpoint where the electron neutrinos might have been created. These techniques employ sophisticated computational resources and fine-tune millions of parameters to separate neutrino signals from all known backgrounds.
The third neutrino flavor, the tau neutrino, is the chameleon of the trio. One tau neutrino may appear as a trace of light, while the next may appear as a ball. The tau particle created in the collision travels for a small fraction of a second before decaying, and when it decays it usually produces a ball of light.
Those tau neutrinos create two spheres of light, one in which they initially slam into something and create a tau, and one in which the tau itself decays. In most cases, the tau particle decays after traveling only a very short distance, causing the two spheres of light to overlap so much that they are indistinguishable from a single sphere.
At higher energies, the tau particle emitted can travel tens of meters, forming two spheres of light separated from each other. Physicists equipped with these machine learning techniques can see through this and find the needle in the haystack.
With these computational tools, the team was able to extract seven high-energy tau neutrinos from about 10 years of data. These taus had higher energies than even the most powerful particle accelerators on Earth, meaning they must have come from astrophysical sources, such as black holes.
This data confirms IceCube's previous discovery of astrophysical neutrinos and confirms a hint that IceCube had previously detected high-energy tau neutrinos.
These results also indicated that even at higher energies and over large distances, neutrinos behave in much the same way as at lower energies. In particular, the detection of high-energy tau neutrinos confirms that energetic neutrinos from distant sources change flavor, or oscillate. Neutrinos at much lower energies traveling over much shorter distances also oscillate in the same way.
Conclusions
As IceCube and other neutrino experiments collect more data and scientists get better at distinguishing the three flavors of neutrinos, researchers will finally be able to guess how the neutrinos that come from black holes are produced. Physicists also want to find out whether the space between Earth and these distant astrophysical neutrino accelerators treats particles differently depending on their mass.
There will always be fewer high-energy tau neutrinos and their muon and electron cousins than the more common neutrinos from the Big Bang, but there are enough of them to help scientists search for high-energy tau neutrino emitters in the Universe and study the Unlimited space.
Da:
https://reccom.org/neutrini-tau-ad-alta-energia-riscrivendo-astrofisica/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR2QXtWXiK9NeoCteg-ros4nlzBiPm2puJnH7_KAxSw7F1QdvHEqtKDY0-Q_aem__3-vLHWLUofuGeqdLNG_ag
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