جستجو برای کشف منابع نقطه‌ای نوترینوها

جستجو برای کشف منابع نقطه‌ای نوترینوها

نوترینوها به سختی و با نیروی ضعیف با ماده واکنش می‌دهند. این خاصیت منحصربه‌فردشان موقعیت بسیار خوبی برای کشف عالم فراهم می‌کند. در حال حاضر دو رصدخانه‌ی IceCube و ANTARES به مطالعه‌ی نوترینوهای کیهانی می‌پردازند. درباره‌ی رصدخانه‌ی IceCube در مقالات گذشته نوشته‌ایم (۱، ۲، و ۳). این رصدخانه در قطب جنوب واقع است و به شکل استوانه‌ای یخی است که حجم آن برابر با ۱ کیلومترمکعب است. ANTARES که از آشکارسازهای چرنکوف آبی تشکیل شده است، در اعماق دریای مدیترانه واقع است.

در چند سال اخیر، رصدخانه‌ی IceCube موفق به رصد نوترینوهای پرانرژی (حدود PeV که در واقع ۱۰ به توان ۱۵ الکترون‌ولت است) شده است که به احتمال خیلی زیاد، منشا کیهانی دارند و در جو زمین تولید نشده‌اند. رصدخانه‌ی ANTARES نیز با استفاده از تکنیک تلسکوپ‌های چرنکوف قادر به مطالعه‌ی نوترینوهای کیهانی است. باوجوداین‌که حجم ANTARES از IceCube بسیار کوچک‌تر است، اما محل جغرافیایی این رصدخانه، زاویه‌دید بهتری از آسمان جنوبی (به خصوص برای نوترینوهای کم‌انرژی‌تر) در اختیارمان می‌گذارد و در نتیجه حساسیت بیشتری برای رصد منابع کیهانی پیش‌بینی‌شده دارد. مطالعه‌ی مجموعه‌ی نوترینوهای رصدشده از این دو رصدخانه می‌تواند حساسیت تحلیل داده‌ها را به طور قابل توجهی بالا ببرد.

شکل ۱. حساسیت‌ها و حدهای تابش نوترینوها از منابع نقطه‌ای برحسب جهت منابع در آسمان برای طیف انرژی E^-2. نقاط سبزرگ حدود واقعی منابع کاندید را نشان می‌دهند و خط سبز حساسیت مطالعه‌ی ترکیبی داده‌های دو رصدخانه را. محنی‌ها و نقاط آبی و قرمز به ترتیب حساسیت‌ها و حدهای به‌دست‌آمده از رصدخانه‌ی IceCube و ANTARES را نشان می‌دهند.

شکل ۱. حساسیت‌ها و حدهای تابش نوترینوها از منابع نقطه‌ای برحسب جهت منابع در آسمان برای طیف انرژی E^-2. نقاط سبزرگ حدود واقعی منابع کاندید را نشان می‌دهند و خط سبز حساسیت مطالعه‌ی ترکیبی داده‌های دو رصدخانه را. محنی‌ها و نقاط آبی و قرمز به ترتیب حساسیت‌ها و حدهای به‌دست‌آمده از رصدخانه‌ی IceCube و ANTARES را نشان می‌دهند.

در این مقاله، داده‌های سه سال رصدخانه‌ی IceCube به طور هم‌زمان با داده‌های ANTARES بررسی می‌شوند و هدف از این مطالعه، کشف منابع نقطه‌ای نوترینوها است. برای این کار از دو روش متفاوت استفاده می‌شود. در روش نخست، تمامی آسمان جنوبی در مجموعه‌ی ترکیبی داده‌های دو رصدخانه مطالعه می‌شود که به دنبال هرگونه تجمع از نوترینوها در آسمان است. در روش دوم، ۴۰ منبع نقطه‌ای شناخته‌شده که از لحاظ نظری، احتمال تولید و تابش نوترینوها در آن‌ها وجود دارد، به دقت مطالعه می‌شوند.

از آن‌جایی که هر کدام از این رصدخانه‌ها، واکنش متفاوتی به انرژی نوترینو و جهت ورود آن به آشکارساز دارد، جزییات تفاوت‌های دو رصدخانه به‌دقت برای طیف منابع مختلف و جهت‌های آن‌ها تصحیح می‌شوند. برای بررسی تجمع نوترینوها در بخشی از آسمان که منجر به کشف منبع تولیدکننده‌ی آن‌ها می‌شود، از روش‌های آماری مختلفی (از جمله unbinned maximum likelihood و test Statistic) استفاده می‌شود که جزییات آن در مقاله‌ی اصلی آمده است.

این آنالیز داده، هیچ تجمع یا خوشه‌ای از نوترینوها را پیدا نمی‌کند. مهم‌ترین خوشه‌ی یافت‌شده در آسمان جنوبی تنها با اهمیت‌آماری ۰.۷ سیگما ظاهر می‌شود. هم‌چنین در بررسی منابع نقطه‌ای مشخص، هیچ تجمعی یافت نمی‌شود و بیشترین تعداد نوترینوها از منبع HESSJ1741-302 مشاهده می‌شود که اهمیت‌آماری برابر با ۱.۲ سیگما دارد.

شکل ۲. حساسیت‌ها و حدود منابع نقطه‌ای برای طیف‌های انرژی مختلف: E^-2 با شکستگی نمایی در انرژی‌: PeV ۱ (بالا چپ)، 300 TeV (بالا راست)، 100 TeV (پایین چپ)، و E^-2.5 (پایین راست). نقاط سبز حدود واقعی منابع کاندید را نشان می‌دهند. خط سبز حساسیت مطالعه‌ی ترکیبی را نشان می‌دهد. خطوط و منحنی‌های آبی و قرمز، به ترتیب، حساست‌های دو رصدخانه‌ی IceCube و ANTARES را به طور جداگانه نشان می‌دهند.

شکل ۲. حساسیت‌ها و حدود منابع نقطه‌ای برای طیف‌های انرژی مختلف: E^-2 با شکستگی نمایی در انرژی‌: PeV ۱ (بالا چپ)، ۳۰۰ TeV (بالا راست)، ۱۰۰ TeV (پایین چپ)، و E^-2.5 (پایین راست). نقاط سبز حدود واقعی منابع کاندید را نشان می‌دهند. خط سبز حساسیت مطالعه‌ی ترکیبی را نشان می‌دهد. خطوط و منحنی‌های آبی و قرمز، به ترتیب، حساست‌های دو رصدخانه‌ی IceCube و ANTARES را به طور جداگانه نشان می‌دهند.

باوجود این‌که در این مطالعه، منبعی برای نوترینوهای رصدشده یافت نمی‌شود، اما ترکیب داده‌های دو رصدخانه، حساسیت مطالعات منابع را تا دو برابر افزایش می‌دهد. شکل ۱، حساسیت‌ها و حدهای به‌دست‌آمده از این مطالعه را برای طیف انرژی E^-2 در مقایسه با تحلیل‌های پیشین هرکدام از رصدخانه‌ها به طور مستقل نشان می‌دهد. شکل ۲، حساسیت و حد‌های به‌دست‌آمده را برای طیف‌های انرژی مختلف نشان می‌دهد.

هرچند نتایج این مطالعه، هیچ منبعی یا خوشه‌ای از تجمع نوترینوها را نشان نداده است، اما حدود جدیدی برای کاندیدهای منابع نوترینوها (برای طیف‌های انرژی مختلف) پیدا کرده است و نشان داده است که ترکیب داده‌های این دو رصدخانه می‌تواند حساسیت رصدها را تا دو برابر افزایش دهد. مطالعه‌های ترکیبی داده‌های بیشتر این دو رصدخانه در آینده می‌تواند منجر به کشف منابع کیهانی نوترینوها شود.

 

عنوان اصلی مقاله: First combined search for neutrino point-sources in the Southern Sky with the ANTARES and IceCube neutrino telescopes
نویسندگان: ANTARES Collaboration, IceCube Collaboration
این مقاله در کنفرانس دوسالانه‌ی ICRC ارائه شده است و در ICRC2015 Proceedings چاپ شده است.
لینک مقاله‌‌ی اصلی: http://arxiv.org/abs/1511.05025

گردآوری: آزاده کیوانی

 

 

دسته‌ها: مقالات روز
برچسب‌ها: اخترفیزیک, نوترینو

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. در حال حاضر عضو تیم تحقیقاتی AMON و هم‌چنین عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube است. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بوده است. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*