Russische neutrino-detector geïnstalleerd in het Baikal-meer

Op 12 maart j.l. is in Rusland de nieuwe Baikal-neutrinotelescoop te water gelaten in het gelijknamige meer. De Baikal Gigaton-volumedetector of Baikal-GVD, zoals zijn volledige naam luidt, is net als IceCube, een gigantisch neutrino-observatorium. Neutrino’s zijn erg moeilijk te detecteren en water is hiervoor een effectief medium. Het drijvende observatorium bestaat uit strengen waaraan bolvormig glas en roestvrijstalen modules zijn bevestigd. Lees verder

Over de ANITA-anomalieën, het anti-universum en CPT-symmetrie

Galaxy Cluster Abell 1689 Credit: HST ACS WFC H. Ford (JHU).

Het ‘nieuws’ dat de NASA aanwijzingen zou hebben gevonden voor het bestaan van een parallel universum, waar de tijd de andere kant uit gaat dan in ons eigen universum trok deze week wereldwijd flink wat belangstelling, lees deze blog en de Astroblogs die daarin genoemd worden voor alle details. In een notendop nog even ’t verhaal: in 2006 en 2014 detecteerde men met het ANITA-experiment 37 km hoog in de lucht boven de Zuidpool een zeer energetisch tau-neutrino, die uit de richting van de aarde kwam. Energie van de deeltjes: zo’n 0,6 exa elektronvolt, da’s héél veel energie. Met gewone ‘standaard’ natuurkunde vallen de twee neutrino’s niet te verklaren, vandaar dat men spreekt van anomalieën. ANITA-wetenschapper Peter Gorham (Universiteit van Hawaï) zei op 8 april j.l. in New Scientist dat de verklaring voor de twee anomalieën een parallel universum is, waar de tijd de andere kant op loopt dan in ons universum. Parallelle universums, tijdrichting de andere kant uit, anomalieën buiten het Standaard Model, de hype is geboren. Afgelopen week kwam daar echter het bericht dat Gorham het zo helemaal niet gezegd had. “It seems that for this tabloid science story, some speculative theoretical physics which might have had distant roots in plausibility was amplified for sensational reasons“, verklaarde hij tegenover Science Alert. Kortom, niets aan de hand, gewoon weer lekker thuis werken of elders vitaal werken en verder gaan waar je mee bezig was?

De ANITA antenne na een succesvolle vlucht. Credit: Australian Antarctic Division

Nee, zo is het nou ook weer niet, hahaha wat een verrassing. Want er is wel degelijk gezegd door wetenschappers dat er wellicht iets heel exotisch aan de hand is met die twee ANITA-anomalieën. In 2018 publiceerden Luis A. Anchordoqui et al namelijk dit vakartikel, waarin ze betogen dat de bron van de neutrino’s een CPT-symmetrisch universum is. En dat laatste hebben ze geleend van de bekende natuurkundige Neil Turok, directeur van het Perimeter Institute voor Theoretical Physics in Ontario, die samen met Latham Boyle en Kieran Finn begin 2018 met een artikel kwam (hier de korte, daar de lange versie) met een opvallend idee: bij de oerknal ontstond uit het niets een universum-anti universum paar (“the universe before the bang and the universe after the bang may be re-interpreted as a universe/anti-universe pair, created from nothing“).

Het CPT-symmetrische heelal. Credit: Neil Turok et al/APS.

In het artikel gaan ze uit van de zogeheten CPT symmetrie, die stelt dat fysische wetten dezelfde blijven als alle ladingen door tegengestelde vervangen worden (ladingconjugatie), alle dimensies gespiegeld worden (pariteitsymmetrie) en de tijd omgekeerd wordt. De symmetrie is er voor elementaire deeltjes (die ‘m ook kunnen schenden), maar Turok en z’n collega’s passen ‘m toe op het gehele heelal – tsja, waarom ook niet. Ze denken dat het universum van voor de oerknal een reflectie is van het universum na de oerknal, dat het één een universum is, het andere een anti universum, precies zoals virtuele deeltjesparen uit het niets kunnen ontstaan, zoals paren van elektronen (e-) en positronen (e+). Turok en z’n twee collega’s bedachten dat CPT-symmetrische universum niet om de twee ANITA-anomalieën mee te verklaren, maar om uit te leggen waarom er in ons heelal veel meer materie dan antimaterie is. Anchordoqui en z’n team doen dat wel. Zij zeggen (net als Torok et al) dat in een CPT-symmetrisch heelal neutrino’s Majorana deeltjes zijn, deeltjes die tegelijk hun eigen antideeltje zijn. Naast de drie bekende lichte neutrino’s (elektron-, muon- en tau-neutrino’s) zouden er ook zwaardere neutrino’s zijn, de steriele neutrino’s. Die laatste soort neutrino’s zouden een massa van ongeveer 0,5 EeV (480 PeV, peta eV) moeten hebben.

De neutrino’s in ons heelal zijn allemaal linkshandig. In een CPT symmetrisch heelal zou je ook rechtshandige neutrino’s hebben. Credit; FNAL.

Alle neutrino’s in ‘ons’ heelal zijn ‘linkshandig’, d.w.z. dat hun zogeheten chiraliteit – een vorm van spiegelsymmetrie – naar links draait. In het anti-universum, waar veel meer antimaterie is dan gewone materie, zouden alle neutrino’s rechtshandig zijn. En het zou zo’n rechtshandig zwaar steriel neutrino zijn, dat volgens Anchordoqui et al gezorgd heeft voor de twee ANITA-anomalieën. Die zouden zich volgens hen massaal ophouden in de ijzerkern van de aarde. Eén zo’n zwaar rechtshandig quasi-stabiel neutrino zou op een gegeven moment vervallen zijn in een Higgs boson en een licht tau-neutrino en die laatste zou toen naar buiten de aarde zijn gevlogen, waarbij het ergens in de aardkorst bij de Zuidpool botste met een atoomkern, bijvoorbeeld een waterstofdeeltje van ijs aldaar, en dát laatste is door ANITA in 2006 en 2014 opgepikt.

 

De vraag is natuurlijk of zo’n rechtshandig zwaar neutrino uit een anti universum nodig is om die twee ANITA anomalieën te verklaren. Toen duidelijk werd dat de twee gebeurtenissen niet door de IceCube detector in het ijs van de Zuidpool tegelijk waren waargenomen konden ‘gewone’ astrofysische verklaringen worden uitgesloten en was het dat de metingen van ANITA gewoon verkeerd zijn gedaan óf dat er sprake is van Nieuwe Natuurkunde, physics Beyond Standard Model (BSM). Maar dat laatste betekent niet dat gelijk gedacht moet worden aan paralelle universums of anti universums. Voor de verklaring van dat overschot van materie boven antimaterie is een anti universum niet noodzakelijk. En wie het bekende Scheermes van Ockham toepast komt altijd terecht bij aanvoudige verklaringen. Zware Majorana neutrino’s kunnen ook in ons heelal bestaan, daar is een anti universum niet voor nodig. Kortom, ook dit keer valt het allemaal reuze mee met de verklaring van die ANITA anomalieën. Steriele neutrino’s zijn overigens óók een kandidaat voor donkere materie, dus áls zij de daadwerkelijke verklaring zijn voor de anomalieén zou dat ook gevolgen kunnen hebben voor de speurtocht naar donkere materie. Bron: Francis Naukas.

Met radartechnologie op zoek naar kosmische neutrino’s

Schematische voorstelling van de opstelling waarmee het deeltjesspoor van kosmische neutrino’s kan worden gedetecteerd. Credit: VUB.

Wetenschappers zoeken al sinds de jaren 40 van vorige eeuw naar radarreflecties van een deeltjesspoor. Zo’n deeltjesspoor ontstaat wanneer een extreem hoogenergetisch kosmisch deeltje botst, in onze atmosfeer of bijvoorbeeld in het zuidpoolijs. Een internationaal wetenschappelijk team onder de leiding van VUB-prof Krijn de Vries en Dr. Steven Prohira van Ohio State University is er nu als eerste ooit in geslaagd om zo’n deeltjesspoor te detecteren. Zij hebben hiermee aangetoond dat radartechnologie gebruikt kan worden in de zoektocht naar kosmische neutrino’s. Het resultaat van deze doorbraak werd gepubliceerd in Physical Review Letters.

Neutrino’s zijn sinds hun ontdekking meer dan vijftig jaar geleden nog steeds een mysterie. Deze elementaire deeltjes komen vanuit de verste uithoeken van het heelal, zijn vrijwel massaloos en interageren vrijwel niet. Heel uitzonderlijk botst een hoogenergetische neutrino in het poolijs.

Het IceCube experiment waaraan ook de VUB deelneemt, monitort een kubieke kilometer aan ijs op neutrino’s aan de hand van de lichtsignalen die tijdens zo’n botsing worden afgegeven. Maar IceCube kan niet alle neutrino’s detecteren. IceCube is vooral goed in staat om neutrino’s te detecteren met energieën onder de 10 biljard elektronvolt (PeV). Neutrino’s met hogere energieën, zijn zo zeldzaam dat een veel grotere detector nodig is om een neutrino op redelijke tijdschaal waar te nemen.

Impressie van de IceCube detector. Credit: IceCube Collaboration/NSF.

Om neutrino’s met hogere energieën toch ook te kunnen detecteren experimenteerde men al langer met de radiosignalen die neutrino’s tijdens een botsing afgeven. Het team van prof. de Vries en dr. Prohira heeft nu voor het eerst kunnen aantonen dat men hiervoor radartechnologie kan inzetten. In het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië hebben zij een bundel van hoogenergetische elektronen gebruikt om in een doelwit van plastiek een deeltjesspoor na te bootsen, gelijk is aan het spoor dat een neutrino achterlaat als het botst in het antarctisch ijs. Terwijl één antenne radiostraling afvuurde op het plastieken doelwit, werd het door andere antennes gade geslagen. En inderdaad, de andere antennes konden het deeltjesspoor waarnemen.

“Met de testbundel hebben we aangetoond dat het principe werkt. Een spoor van een neutrino met een energie tussen 10 en 100 PeV zal natuurlijk anders zijn dan het spoor gemeten tijdens dit experiment, maar op basis van simulaties denken we dat we die toch zullen kunnen detecteren, namelijk door een krachtigere radargolf het ijs in te sturen”, zegt Prof. Krijn de Vries van de onderzoeksgroep Elementary Particle Physics aan de Vrije Universiteit Brussel.

Volgend jaar hoopt het team een opstelling op Antarctica te bouwen om de radarmethode te testen, een opstap naar een detector die de daadwerkelijke neutrinosproren kan meten.

“Het soort neutrino’s die we met de radartechniek zullen kunnen detecteren zal ons meer kunnen vertellen over de extreem energetische astronomische verschijnselen in ons universum. Mogelijk brengt dit zelfs nieuwe natuurkunde aan het licht“, zegt prof. de Vries. Bron: Today.VUB.be

IceCube: bijzondere ANITA neutrinowaarneming kan niet met Standaard Model verklaard worden

Een impressie van IceCube en wat er onder het ijs gebeurt. Credit: Icecube/NSF

Met het IceCube Neutrino Observatorium – maar liefst 5.160 optische detectoren in een kubieke kilometer ijs op de Zuidpool – hebben ze uitgesloten dat ‘ANITA’s anomalous neutrino events’ verklaard kunnen worden met behulp van het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten. ANITA is een andere neutrinodetector, die ook op de Zuidpool actief is, alleen dan vanuit de lucht. Het ANITA (the ANtarctic Impulsive Transient Antenna) experiment is een ballon, die uitgerust is met radioapparatuur. Als neutrino’s vanuit het heelal met zeer veel energie bij de aarde aankomen kunnen ze botsen met atomen in het zuidpoolijs en dan wordt radiostraling geproduceerd.

De ANITA antenne na een succesvolle vlucht. Credit: Australian Antarctic Division

Met ANITA werden tot mei 2016 twee bijzondere waarnemingen gedaan, twee anomalous neutrino events – zie deze Astroblog daarover. Het instrument nam de radiostraling van botsende energierijke neutrino’s waar. Op zich niets vreemd, behalve dan dat de bron van beneden kwam, van onderen, vanuit de aarde en niet vanuit de ruimte! Het ging om zeer energierijke deeltjes, in de orde van ongeveer 0,06 EeV, de ‘E’ staat voor exa, dat is 10^18, een miljoen keer zo veel energie als een TeV, tera elektronvolt. Ter vergelijking: de protonen die in de Large Hadron Collider met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar knallen hebben een energie van 7 TeV. Dat die deeltjes van onderen kwamen, vanuit de richting dus van de aarde en niet van bovenaf, betekend dat de deeltjes dwars door de aarde moeten zijn gevlogen. Voor neutrino’s is dat geen enkel probleem, maar dat geldt alleen voor lage energie-neutrino’s. Voor ‘ultra-high-energy’ (UHE) kosmische neutrino’s is dat wél een probleem, omdat hun energie boven de elektrozwakke schaal ligt (rond 240 GeV), de grens waarboven de elektrozwakke symmetrie zich herstelt en de neutrino’s wél reageren met gewone leptonen – iets wat ze onder die grens niet doen.

De paarse kromme geeft de grens aan van de niet door IceCube gedetecteerde neutrino’s. Bij die grens hoort een minimale flux, weergegeven door de paarse driehoek rechtsboven. Maar die ligt ver onder de flux die nodig is om de waarnemingen van ANITA te verklaren, weergegeven met de zwarte hexagoon, rechts bovenaan. Credit: IceCube Collaboration

Met IceCube zijn ze die waarnemingen (‘events’) gedaan met ANITA gaan onderzoeken. Zouden de neutrino’s niet uit één puntbron aan de hemel kunnen zijn gekomen, die de bron was van de energierijke neutrino’s, zoals een blazar, een quasar wiens straalstroom recht op de aarde is gericht? Als er zo’n bron zou zijn dan zou die héél veel van die UHE-neutrino’s kunnen produceren en als die dan massaal ‘van onderaf’ door de aarde zouden vliegen dan zouden enkele daarvan die tocht dwars door de aarde overleven en bij het ijs van de Zuidpool aankomen, waarna ANITA ze zou detecteren als ze botsen met een waterstof- of zuurstofatoom van het ijs aldaar. Dát zou dan een verklaring kunnen zijn. Vandaar dat Alex Pizzuto (University of Wisconsin–Madison) met zijn team met IceCube op zoek ging naar die puntbron. Want als die er is dan zou IceCube daar toch ook neutrino’s van hebben gezien. Ze doken daarom in de gegevens van de laatste acht jaar die met IceCube zijn verzameld om te kijken of ze signalen van zo’n puntbron tegenkwamen. Het resultaat (hierboven in de grafiek te zien): niente, nadah, nothing, geen enkele puntbron. Bij ANITA komt alleen radiostraling van de meest energierijke neutrino’s, IceCube kan ook minder energierijke neutrino’s detecteren, maar die werden op momenten dat ANITA zijn bijzondere gebeurtenissen zag niet waargenomen. En dat betekent dat een astrofysische verklaring, zoals zo’n genoemde blazar (impressie daarvan zie je hieronder), uitgesloten wordt. Zo’n verklaring zou nog passen binnen het Standaard Model, dat de natuurkundigen en sterrenkundigen hanteren voor de werking van elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen.

Een impressie van een blazar. Credit: DESY, Science Communication Lab

Er blijven nu nog maar twee mogelijke verklaringen over: de ene is simpelweg dat de waarneming gedaan met ANITA niet goed is geweest, dat er een instrumentele fout is gemaakt. De andere verklaring is dat er sprake is van Nieuwe Natuurkunde, natuurkunde voorbij het Standaard Model (Engels: BSM – Beyond SM).

Als BSM-verklaring heeft men al gedacht aan steriele neutrino’s, een hypothetische zware variant van de drie bekende ‘smaken’ neutrino’s, die nooit een interactie met andere deeltjes aangaat, behalve dan via de zeer zwakke zwaartekracht. Maar ook wordt gedacht aan een zogeheten stau slepton, een supersymmetrisch tau lepton, in de afbeelding hieronder zie je dat stau deeltje, τ met een golfje erboven.

Credit: CECs

Mocht het echt om zo’n BSM-deeltje gaan dan is het gelijk interessant voor de speurders naar donkere materie, want daar zouden beiden ook mee te maken kunnen hebben, de steriele neutrino’s als kandidaat-deeltje van DM en de stau sleptonen, omdat ze na een interactie in de aarde met een gewoon deeltje kunnen vervallen in een tau lepton én een LSP, een ‘lightest supersymmetric particle’, da’s een kandidaat-DM deeltje.

Hier het vakartikel over de IceCube waarnemingen aan de ANITA gebeurtenissen, welke zullen worden gepubliceerd in The Astrophysical Journal. Bron: IceCube.

Nou weten we waarom neutrino IC170922A van blazar TXS 0506+056 zo energierijk was

Een impressie van een blazar. Credit: DESY, Science Communication Lab

Vorig jaar juli werd bekendgemaakt dat sterrenkundigen erin geslaagd waren om vanuit één bron aan de hemel, de ‘blazar’ genaamd TXS 0506+056, zowel energierijke fotonen als neutrino’s waar te nemen, een knap staaltje van multi-messenger sterrenkunde. De waarneming werd gedaan op 22 september 2017 en hij werd gedaan door de Fermi satelliet, die de fotonen van de gammastraling ervan zag, als de IceCube detector op de Zuidpool, die één zeer energierijk neutrino ervan zag (als ‘event IC170922A‘). De neutrino die door IceCube werd waargenomen had een enorme hoeveelheid energie, 290 biljoen eV (290 TeV), da’s 45 keer meer dan de hoogste energie die gehaald wordt in de Large Hadron Collider, ‘s werelds grootste deeltjesversneller. Lees deze, deze en deze Astroblogs daarover, zodat je weer helemaal bij bent.

Zo werd het EHE-neutrino geproduceerd, door twee botsende jets. Credit: IceCube Collaboration, MOJAVE, S. Britzen, & M. Zaja?ek

De vraag was voor meer dan een jaar: hoe kwam dat ‘EHE-neutrino’ (Extremely high energy neutrino) aan zo’n enorme energie? Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van Silke Britzen (Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn) heeft dat nu vermoedelijk ontdekt. Het blijkt dat IceCube-170922A het resultaat is van botsingen van twee jets of straalstromen vlakbij het superzware zwarte gat in het centrum van TXS 0506+056, een sterrenstelsel iets ten westen van de ster Bellatrix in het sterrenbeeld Orion op 3,7 miljard lichtjaar afstand. Uit de archieven van waarnemingen kon men zien dat de blazar eerder ook al actief was en dat ‘ie tussen september 2014 en maart 2015 ook al neutrino’s uitspuwde. Van andere blazars is ook bekend dat die energierijk materiaal in de vorm van jets uitspuwen, bundels van zeer heet plasma, maar bij geen ervan heeft men neutrino’s waargenomen.

De door IceCube waargenomen event IceCube-170922A. Credit: Icecube/NSF.

Waarom dan wel vanuit TXS 0506+056 en dan gelijk zo’n energierijke? Het lijkt er op dat twee van die jets, eentje van een eerdere uitbarsting van materiaal, met elkaar in botsing zijn gekomen (jet 1 en 2 in de afbeelding hierboven) en dat daardoor IC170922A is ontstaan. Mogelijk dat er in het centrum van TXS 0506+056 niet één superzwaar zwart gat is, maar dat er nog eentje huist en dat hun jets elkaar gekruist hebben. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de blazar en z’n EHE-neutrino, op 2 oktober gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics. Bron: Max Planck Instituut.

Axis Mundi: een schitterende synergie van kunst en wetenschap

Credit: Donald Fortescue en Gwenhaël de Wasseige

Ik zag vandaag onderstaande video op twitter voorbij komen, een video genaamd Axis Mundi. Hij is van Donald Fortescue en Gwenhaël de Wasseige. De eerste is ‘professor of Art and Design’ aan het  California College of the Arts (CCA) in San Francisco, de laatste is natuurkundige aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB). Beiden publiceerden vorige week donderdag dit artikel, dat beschrijft hoe kunst en wetenschap aan de hand van neutrino-waarnemingen aan de Zuidpool op prachtige wijze kunnen combineren. De video Axis Mundi is een soort van artistieke uitdrukking van die combinatie – synergie optima forma. We zien de zon gefotografeerd vanaf de Zuidpool, de plek waar niet alleen de aardas (Axis Mundi) doorheen loopt, maar waar zich ook het IceCube Neutrino Observatory bevindt, de grote in het ijs begraven detector die met behulp van 5.160 gevoelige Digital Optical Modules (DOM’s) aan 86 kabels, hangend in 86 in het ijs gegraven putten van 1,5 km diepte, speurt naar neutrino’s. De neutrino’s uit de kosmos die daarmee zijn gedetecteerd zijn door een bepaald algoritme omgezet in muziek, gespeeld op een piano (met 88 toetsen) en daaruit kwam de compositie 86 Strings #1 voort. Die compositie hoor je in de video van Axis Mundi. Bij de opnames is gefocust op de zon, dus die blijft altijd centraal in beeld, de aarde zie je er onder door bewegen.

Axis mundi from Donald Fortescue on Vimeo.

Bron: Deze tweet van Daniel Fischer.

Massa en dichtheidsprofiel van de aarde gemeten met… neutrino’s

Metingen aan neutrino’s leverde het dichtheidsprofiel van de aarde op. Credit: Nature.com/Springer.

Onderzoekers zijn er in geslaagd om op een unieke manier de massa van de aarde te bepalen. Andrea Donini, Sergio Palomares-Ruiz en Jordi Salvado (Universiteit van Valencia) wisten die massa te bepalen door een ‘tomografie‘ te maken, een dwarsdoorsnede in twee dimensies van de driedimensionale aarde en wel met behulp van neutrino’s die dwars door de aarde vliegen. Als hoogenergetische deeltjes van de kosmische straling botsen met deeltjes van de atmosfeer kunnen neutrino’s worden geproduceerd. Die vliegen dan vervolgens dwars door de aarde. Ze reageren alleen via de zwakke wisselwerking met andere deeltjes en normaal zouden ze ongehinderd de aarde passeren. Maar deze neutrino’s hebben vele TeV (tera electronvolt) aan energie en dat zorgt ervoor dat ze vaker toch interacties aangaan. Door de atmosferische neutrino’s te meten met de IceCube detector op de Zuidpool en te kijken hoe ze op verschillende dieptes reageren hebben de drie onderzoekers een dichtheidsprofiel van de aarde weten op te stellen. Dat leverde waardes op voor de massa van de aarde en diens kern en voor z’n traagheidsmoment. Ze vonden voor de massa een waarde van 6 x 10^24 kg, in overeenstemming met de waarde die door andere methodes is gevonden, 5,9722 x 10^24 kg. De massa van de aardkern blijkt 2,72 x 10^24 kg te zijn, pakweg 33% van de totale massa van de aarde. De gevonden waarde voor het traagheidsmoment is 6,9 x 10^37 kg m², in overeenstemming met de gravitationeel gevonden waarde, 8 x 10^37 kg m². De onderzoekers konden bevestigen dat de dichtheid van de aardkern groter is dan die van de mantel. De onderzoekers hebben de resultaten van hun onderzoek afgelopen maandag gepubliceerd in Nature.

Bron: Nature.com.

Sterke aanwijzingen dat ANITA en IceCube supersymmetrische leptonen hebben gezien

De ANITA antenne na een succesvolle vlucht. Credit: Australian Antarctic Division

Onderzoekers hebben met NASA’s Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) [1]Woehaha, ik schreef er bijna tien jaar geleden al een blog over., een gevoelige antenne in een ballon die hoog in de lucht boven Antartica kosmische straling onderzoekt, sterke aanwijzingen gevonden dat met de antenne een signaal gevonden is dat afkomstig is van een zogeheten stau slepton. Een stau slepton? Yep, een supersymmetrische variant van een tau lepton, da’s een zware ‘derde generatie equivalent’ van het ons aller bekende elektron – de ‘s’ in de naam staat voor supersymmetrisch. De sterke aanwijzing – met een zeer hoge statistische betrouwbaarheid van σ5,8 en zelfs σ7,0 als men ook waarnemingen van de neutrino detector IceCube, óók op Antartica, meetelt (5σ is de grens van wat in de wetenschap ‘bewijs’ wordt genoemd) – bestaat uit twee waarnemingen die tot mei 2016 gedaan zijn met ANITA. De antenne is gemaakt om zeer energierijke kosmische straling waar te nemen vanuit het heelal.

Een impressie van IceCube en wat er onder het ijs gebeurt. Credit: Icecube/NSF

Dat was ook nu het geval met de twee gedane waarnemingen, maar het punt was dat de bron van beneden kwam, van onderen! Het gaat volgens dit vakartikel, dat deze week op de ArXiv is geplaatst, om zeer energierijke deeltjes, in de orde van ongeveer 0,06 EeV, de ‘E’ staat voor exa, dat is 10^18, een miljoen keer zo veel energie als een TeV, tera elektronvolt. Ter vergelijking: de protonen die in de Large Hadron Collider met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar knallen hebben een energie van 7 TeV. Dat die deeltjes van onderen kwamen, vanuit de richting dus van de aarde en niet van bovenaf, betekend dat de deeltjes dwars door de aarde moeten zijn gevlogen. Voor neutrino’s is dat geen enkel probleem, maar dat geldt alleen voor lage energie-neutrino’s. Voor ‘ultra-high-energy’ (UHE) kosmische neutrino’s is dat wél een probleem, omdat hun energie boven de elektrozwakke schaal ligt (rond 240 GeV), de grens waarboven de elektrozwakke symmetrie zich hersteld en de neutrino’s wél reageren met gewone leptonen – iets wat ze onder die grens niet doen.

Is er wellicht een vierde smaak neutrino, een steriel neutrino? Credit: Symmetry magazine.

Als verklaring heeft men al gedacht aan steriele neutrino’s, een hypothetische zware variant van de drie bekende ‘smaken’ neutrino’s, die nooit een interactie met andere deeltjes aangaat, behalve dan via de zeer zwakke zwaartekracht. Maar in dat vakartikel van hierboven wordt door de onderzoekers van Penn State Universiteit een nieuwe mogelijkheid genoemd, dat de bron zoals gezegd zo’n stau slepton is – in de afbeelding hieronder zie je dat stau deeltje, τ met een golfje erboven.

Voor de opwinding van deze waarneming maakt het feitelijk niet uit of die bron een steriel neutrino of een stau slepton is, want beide deeltjes passen niet binnen het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten ertussen, dus beide deeltjes zijn voorbeelden van natuurkunde ‘beyond standard model’ (BSM). De kans dat de twee waarnemingen tóch door een deeltje van SM kan worden verklaard is zeer klein: minder dan 1 op 3,5 miljoen! Mocht het echt om zo’n BSM-deeltje gaan dan is het gelijk interessant voor de speurders naar donkere materie, want daar zouden beiden ook mee te maken kunnen hebben, de steriele neutrino’s als kandidaat-deeltje van DM en de stau sleptonen, omdat ze na een interactie in de aarde met een gewoon deeltje kunnen vervallen in een tau lepton én een LSP, een ‘lightest supersymmetric particle’, da’s een kandidaat-DM deeltje. Boeiend! Bron: Livescience + The reference Frame.

References[+]

References
1 Woehaha, ik schreef er bijna tien jaar geleden al een blog over.

De vakartikelen over de multi-messenger waarneming aan blazar TXS 0506+056

Credit: ICECUBE/NASA/NSF/Grant et al.

Donderdag meldde ik al dat er over die multi-messenger waarneming aan de uitbarsting op 22 september 2017 van blazar TXS 0506+056 diezelfde dag twee artikelen waren verschenen in het Amerikaanse vakblad Science. Maar er zijn inmiddels een hele stoot andere artikelen verschenen en dat zullen vast niet de laatste zijn over deze bijzondere gebeurtenis. Hier even al die vakartikelen op een rijtje, tot zover op dit moment bekend, met dank aan de Spaanse natuurkundige Francis Naukas.

Credit: IceCube/NASA

Eh… nog even over die link tussen de waarneming aan de uitbarsting van TXS 0506+056 en kosmische straling, waar ik gisteren ook al op wees. Wat ze op die bewuste 22e september 2017 met IceCube zagen tijdens IC170922 was één enkel neutrino, een EHE-neutrino (‘Extremely High Energy’). Dat neutrino is zelf géén vorm van kosmische straling, maar het is wel ontstaan door een deeltje van de kosmische straling, een bijna met de lichtsnelheid bewegend proton, dat door het zeer actieve superzware zwarte gat in de kern van blazar TXS 0506+056 op 22 september 2017 (+3,7 miljard jaar terug in de tijd) in een straalstroom werd uitgespuwd. Dat proton verviel in twee pionen en die vervielen op hun beurt in een set deeltjes van electronen, fotonen en neutrino’s, zoals hierboven geschetst. De bron van de neutrino was zoals gezegd TXS 0506+056, een blazar (de naam komt van het prototype, BL Lacertae), da’s een quasar, wiens straalstroom recht op de aarde is gericht. Blazar TXS 0506+056 ligt in Orion en wel daar:

Credit: ICECUBE/NASA/NSF

Zo, genoeg gepraat over TXS 0506+056, voor vandaag. 😀 Bron: Francis Naukas + Starts with a Bang.

Waarom is die multi-messenger waarneming van blazar TXS 0506+056 zo bijzonder?

Een impressie van een blazar. Credit: DESY, Science Communication Lab

Zoals afgelopen dinsdag voorspeld en gisteren wereldwijd bekendgemaakt hebben sterrenkundigen op 22 september 2017 een uitbarsting gezien in de blazar genaamd TXS 0506+056, die met meerdere instrumenten werd waargenomen en waarvan zowel extreem energierijke neutrino’s als fotonen werden gezien – een prachtig staaltje van multi-messenger astronomy, zoals ze dit noemen. De vraag rijst wellicht waarom aan deze ontdekking zoveel waarde wordt toegekend, want het bijzondere van die uitbarsting van TXS 0506+056 is. What’s the fuzz?

Een impressie van IceCube en wat er onder het ijs gebeurt na de uitbarsting van TXS 0506+056, die je rechtsboven ziet. Credit: Icecube/NSF

Welnu, de waarneming van de uitbarsting van TXS 0506+056 is NIET bijzonder vanwege de neutrino’s en fotonen, die ervan gezien werden. Want daarin ging de supernova die op 23 februari 1987 op het zuidelijk halfrond te zien was deze waarneming voor, van SN1987A, zoals die supernova genoemd wordt, werden namelijk ook neutrino’s én fotonen waargenomen. De waarneming van de uitbarsting van TXS 0506+056 is ook NIET bijzonder vanwege het multi-messenger karakter ervan, want daarin ging GW170817 op 17 augustus 2017 ‘m voor, de botsing van twee neutronensterren waarvan men zowel zwaartekrachtgolven als fotonen heeft waargenomen.

De door IceCube waargenomen event IC IC170922. De neutrino is in botsing gekomen met het ijs van Antartica, waarbij een muon is geproduceerd. Dat deeltje reageert vervolgens door productie van Cherenkov straling op de IceCube detectoren onder het ijs, die met (de gradiënt van de) kleuren de (tijdsvolgorde en) intensiteit van de binnenkomst laten zien. Credit: Icecube/NSF

Wat de waarneming van de uitbarsting van TXS 0506+056 WEL bijzonder maakt is dat ’t een uitbarsting betreft van één zéér energierijke neutrino (enkelvoud) [1]Feitelijk is dit neutrino vergelijkbaar met de eerder met IceCube waargenomen neutrino’s genaamd Bert, Ernie en Big Bird. Mmmmm, welke naam zullen ze aan dit neutrino geven? Grover, … Continue reading en zéér energierijke fotonen (meervoud), miljoenen tot miljarden keren zo krachtig als die van SN1987A (en een supernova is al héél krachtig, kan je nagaan), én dat voor het eerst hoogstwaarschijnlijk een bron van zeer energierijke kosmische straling is geïdentificeerd, de straling die door Victor Hess in 1912 vanuit een ballon hoog in de lucht werd ontdekt. Ik heb het cruciale woordje hoogstwaarschijnlijk even vet gemaakt, want belangrijk is dat het niet onomstotelijk is, de statistische betrouwbaarheid van de waarneming is 3 sigma, 0,3% kans dat dit neutrino helemaal niet van TXS 0506+056 is. Zoals de grafiek hieronder laat zien is de waarneming aan de uitbarsting van TXS 0506+056 niet door één instrument gedaan, maar door een hele batterij een instrumenten, en niet alleen op die 22e september 2017, maar ook in de dagen, weken en maanden erna.

Credit: IceCube Collaboration

43 Seconden nadat die ene EHE-neutrino door IceCube werd waargenomen werden die andere telescopen via de geautomatiseerde systemen van het Astrophysical Multi-Messenger Observatory Network (AMON) en Gamma-Ray  Coordinates Network (GCN) gewaarschuwd. Twee van die instrumenten zijn de Fermi gamma-ruimtetelescoop van de NASA en de MAGIC gamma-telescopen op La Palma. De waarnemingen aan de uitbarsting van TXS 0506+056 zie je hieronder, links van Fermi en rechts van MAGIC.

Credit: international research team IceCube (M.G.Aartsen et al)

Na de waarneming van IC170922 gingen de natuurkundigen van IceCube nog eens kijken in hun gearchiveerde data en toen kwamen ze er achter dat ze in 2014 nog meer energierijke neutrino’s hadden gezien, bijna twintig stuks, die allemaal uit de richting kwamen van TXS-0506+056, de blazar die 3,7 miljard (!) lichtjaar van ons vandaan staat. Bron: Astrobites + Of Particular Significance

References[+]

References
1 Feitelijk is dit neutrino vergelijkbaar met de eerder met IceCube waargenomen neutrino’s genaamd Bert, Ernie en Big Bird. Mmmmm, welke naam zullen ze aan dit neutrino geven? Grover, Cookiemonster? De neutrino van IC170922 was met z’n energie van 290 TeV ook niet eens zo héél krachtig. ‘Bert’ had een energie van 1.040 TeV (=1,04 peta electronvolt), ‘Ernie’ 1.140 TeV (=1,14 PeV) en de allergrootste tenslotte, ‘Big Bird’ (bij ons noemen we die vogel Pino), die had 2 PeV aan energie. 😀