روش جدید برای تفکیک طعم‌های مختلف نوترینوها

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 18 جولای 2016

نوترینوهای اخترفیزیکی پر انرژی مدتی است که توسط رصدخانه‌ی آیس‌کیوب کشف شده‌اند. طیف انرژی این ذرات، اطلاعات ارزشمندی درباره‌ی منشأ آن‌ها و هم‌چنین ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها فراهم می‌کند. با این وجود، هنوز ناشناخته‌های زیادی در مورد این ذرات موجود است. یکی از این موارد به ترکیب طعم این ذرات برمی‌گردد. نسبت طعم نوترینوها معمولا به صورت نسبت نوترینوهای الکترون به میون به تاو در نظر گرفته می‌شود. وقتی می‌گوییم نوترینوی الکترون، منظورمان مجموع نوترینو و ضدنوترینوی آن (در صورت وجود) است. در یکی از سناریوهای موجود، این نسبت برابر با ۱/۳ به ۲/۳ به ۰ در منبع تولیدکننده است که برابر با (۱/۳: ۱/۳: ۱/۳) در زمین می‌شود.

شکل ۱. ترکیب طعم نوترینوهای اخترفیزیکی در زمین. خطوط نارنجی، برازش داده‌های آیس‌کیوب را نشان می‌دهد. رنگ آبی، مقادیری برآوردشده از روش مطرح‌شده در این مقاله را نشان می‌دهد (که مربوط به ۱۰۰ آبشار با انرژی ۱۰۰ TeV است). رنگ سبز، مربوط به انتظارات استاندارد است.

نوترینوهای رصدشده در آیس‌کیوب به دو توپولوژی مختلف شناخته می‌شوند: آن‌هایی که در برخوردشان با یخ قطبی، آبشاری از ذرات تولید می‌کنند (آبشارگونه) و آن‌هایی که باریکه‌ای از ذرات می‌سازند (مسیرگونه). نوترینوهای مسیرگونه در واقع میون‌های ایجادشده‌اند که تا حدود ۱۰ کیلومتر در یخ نیز می‌توانند بپیمایند. آبشارها توسط تمامی ذرات دیگر (به جز میون‌ها) که در واکنش نوترینوها تولید می‌شوند، به وجود می‌آیند که تنها تا حدود ۱۰ متر در یخ می‌پیمایند. اندازه‌گیری‌های طعم نوترینوها توسط آیس‌کیوب، میون‌های مسیرگونه را به راحتی از ذرات آبشارگونه تفکیک می‌کند. میون‌های مسیرگونه عمدتا در واکنش‌های به اصطلاح «جریان باردار^(۱)» نوترینوهای میون تولید می‌شوند. اما آیس‌کیوب هنوز نتوانسته‌ است روشی برای تفکیک واکنش‌های جریان باردار مربوط به نوترینوهای الکترون و تاو بیابد که هر دو ذرات آبشارگونه تولید می‌کنند.

در این مقاله، روش جدیدی برای تفکیک نوترینوهای الکترون از نوترینوهای تاو ارائه شده است. در این روش، از دو کمیت مربوط به آبشارهای تولیدشده استفاده می‌شود. در واکنش نوترینو با ماده‌ی آشکارسازی (در اینجا یخ قطبی) که طی آن آبشاری از ذرات به وجود می‌آیند، تعدادی میون‌ کم‌انرژی و تعدادی نوترون‌ تولید می‌شوند. بعد از مدتی، میون‌ها واپاشیده شده و نوترون‌ها به دام می‌افتند. در این مقاله به تابش چرنکوف جمع‌شده از طریق تعداد زیادی واپاشی‌های مستقل، اکوی میون و به نور یا تابش مربوط به به‌دام‌‌افتادگی نوترون‌ها، اکوی نوترون گفته می‌شود. محققان این مقاله نشان می‌دهند که اکوها برای آبشارهای ناشی از نوترینوی تاو روشن‌تر از نوترینوی الکترون هستند. این روش با داشتن آمار بالا می‌تواند این دو طعم را بهتر از یکدیگر تفکیک کند و تبهگنی بین آن‌ها را از بین ببرد.

شکل ۱ نشان می‌دهد که در حال حاضر، تبهگنی^(۲) موجود بین نوترینوی الکترون – نوترینوی تاو در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب در امتداد کانتورهای مربوط به ترکیب اندازه‌گیری‌شده‌ی طعم نوترینوها کشیده شده است. در این شکل هم‌چنین می‌توان تأثیر روش مورد استفاده در این مقاله در بهینه‌کردن اندازه‌گیری‌ها را مشاهده کرد (ناحیه‌ی آبی‌رنگ در شکل).

شکل ۲. تحول زمانی نور یک آبشار هدرونی شبیه‌سازی‌شده که توسط یک پایون باردار با انرژی ۱۰۰ TeV به وجود آمده است. باندهای رنگی با مقیاس زمانی مربوطه، به طور نمایی تغییر می‌کند. اکوها برای یک آبشار الکترومغناطیسی حدودا ده برابر کوچک‌ترند.

محققان این مقاله شبیه‌سازی‌‌های متعددی از آبشارها و اکوهای حاصله انجام می‌دهند. شکل ۲ متوسط پروفایل زمانی یک آبشار هدرونی با انرژی ۱۰۰ TeV را نشان می‌دهد. شکل اکوها با مقیاس زمانی مربوطه، به شکل نمایی تغییر می‌کند. اکوها به وضوح از همدیگر و از آبشار اولیه قابل تفکیکند. این شکل هم‌چنین نشان می‌دهد که اکوها دارای شدت کمی هستند. علاوه بر آبشارهای هدرونی، آبشارهای الکترومغناطیسی نیز در این مقاله بررسی می‌شوند. آبشارهایی که توسط نوترینوی الکترون تولید می‌شوند معمولا آبشارهای الکترومغناطیسی هستند چرا که الکترون تولید‌شده انرژی بیشتری از هدرون‌های نهایی حمل می‌کنند. اما آبشارهایی که توسط نوترینوی تاو تولید می‌شوند معمولا آبشارهای هدرونی هستند زیرا علاوه بر خود آبشار حاصله از هدورن‌های مرحله‌ی آخر، ۶۷٪ واپاشی‌های تاو هدورنی هستند.

روش مطرح‌شده در این مقاله می‌تواند تفکیک نوترینوهای الکترون و تاو را تا ۹ برابر اندازه‌گیری‌های حاضر در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب بالا ببرد. این روش هم‌چنین می‌تواند بازسازی انرژی آبشارها را از طریق تشخیص هدرونی یا الکترومغناطیسی‌بودن آن‌ها بهبود بخشد؛ در نتیجه دقت زاویه‌ای مکان نوترینوهای آبشارگونه را بالا ببرد. نجوم نوترینوهای پرانرژی راه درازی را در پیش رو دارد و تمامی این روش‌ها در نهایت به کشف منابع اخترفیزیکی و ویژگی‌های شگفت‌انگیز این ذرات کمک خواهد کرد.