IceCube catches high-energy neutrino oscillations

Astrophysical telescope finds secondary role as particle-physics experiment.

• Calla Cofield

06 June 2012

The IceCube Neutrino Observatory, a telescope at the South Pole that detects the subatomic particles known as neutrinos, has measured the highest-energy neutrino oscillations yet.

IceCube was designed primarily to study neutrinos streaming from astrophysical objects such as supernovae and γ-ray bursts. But the detection of neutrino oscillations — the transformation of one type of neutrino into another — represents new scientific territory for the experiment, an area that falls under the umbrella of particle physics.

“This is our first step into particle physics,” says Andreas Gross, a postdoctoral researcher at the Technical University of Munich, Germany, who led the oscillation analysis.

While the results are relatively unsurprising, IceCube researchers say they may eventually be able to contribute to an explicit understanding of the neutrino mass hierarchy, or which of the three known neutrino types, or ‘flavours’, is the heaviest and which is the lightest.

Gross presented the analysis on Monday at the twenty-fifth International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics in Kyoto, Japan. The conference also marks the first time that the team has presented data gathered from the full sensor array, which was completed in December 2010.

Gross’s analysis shows a disappearance of atmospheric muon neutrinos as they oscillate into tau neutrinos. Roughly 300 trillion of these atmospheric neutrinos are created every minute as cosmic rays collide with air molecules in the Earth’s atmosphere, says Francis Halzen, a physicist at the University of Wisconsin­–Madison and the principal investigator for the IceCube collaboration. IceCube detects only about ten atmospheric neutrinos per hour. The energy of the oscillating neutrinos fell between 10 and 100 gigaelectronvolts (GeV), with the strongest oscillation signal coming at about 30 GeV.

Although such muon-to-tau oscillations have been well studied by accelerator-based neutrino experiments at lower energies, the results confirm that the oscillations behave as suspected in higher-energy ranges. The agreement with theory also indicates that the IceCube detectors are working. Mark Chen, a physicist at Queens University in Kingston, Ontario, and director of the SNO+ neutrino experiment now being built in Sudbury, Ontario, says that the results provide a “new test” at higher energies. “It’s always good to test models and test observations,” he says.

Researchers at Super-Kamiokande, a neutrino experiment near Higashi-Mozumi, Japan, have also detected a small number of high-energy oscillations. However, Yoshitaka Itow, a Super-Kamiokande physicist at Nagoya University in Japan, says the experiment’s energy resolution above 10 GeV is very poor and that above 50 GeV, the experiment cannot resolve the energy of the oscillating neutrinos at all, so it cannot match IceCube’s new claims.

Going deeper

The IceCube detector consists of 86 strings, or long chains of photomultiplier tubes, spaced equally over an area of about 1 square kilometre, and dropping to depths of 1.4–2.4 kilometres below the surface of the ice. When a neutrino interacts with a water molecule, the reaction causes a faint flash of light that is detected by the photomultiplier tubes and translated into a digital signal.

Most of the time, IceCube scientists will be studying the neutrinos above 1,000-GeV that emanate from astrophysical sources. But to get at neutrino oscillations, they must aim to catch lower-energy neutrinos, because the probability of oscillations taking place decreases with increasing energy. Above a few hundred GeV, oscillations of the three known neutrino flavours become too rare to be worth searching for. So in 2009, the IceCube researchers installed the observatory’s first infill. Called DeepCore, the infill consists of eight photosensor strings grouped closely together in the deepest, clearest ice in the IceCube array. DeepCore provides precision measurements in the range of tens of GeV to a few-hundred GeV.

The IceCube collaboration is now discussing the possible addition of a second infill, called PINGU (Phased IceCube Next Generation Upgrade), which would group an additional series of strings in DeepCore and allow IceCube to detect oscillations as low as a few GeV. At these lower energies, IceCube can detect not only more oscillation events but also, its researchers hope, ‘matter effects’, a phenomenon where neutrino oscillations in matter are different from neutrino oscillations in a vacuum. This effect is caused by the interaction between electron neutrinos and electrons in matter, which changes the effective mass of the neutrinos. Observing matter effects might make it possible to learn more about the neutrino masses, including the neutrino mass hierarchy.

NATURE

IceCube capturas de alta energía oscilaciones de neutrinos

Telescopio de Astrophysical encuentra papel secundario en el experimento de física de partículas.

El observatorio de neutrinos IceCube, un telescopio en el Polo Sur, que detecta las partículas subatómicas conocidas como neutrinos, ha medido las oscilaciones de neutrinos de alta energía todavía.

IceCube fue diseñado principalmente para estudiar los neutrinos de transmisión de los objetos astrofísicos tales como las supernovas y los estallidos de rayos γ.Sin embargo, la detección de oscilaciones de neutrinos - la transformación de un tipo de neutrino en otro - representa un nuevo territorio para el experimento científico, un área que cae bajo el paraguas de la física de partículas.

"Este es nuestro primer paso en la física de partículas", dice Andreas Gross, un investigador postdoctoral en la Universidad Técnica de Munich, Alemania, quien dirigió el análisis de la oscilación.

Si bien los resultados son relativamente sorprendente, los investigadores dicen que IceCube puede llegar a ser capaz de contribuir a una comprensión explícita de la jerarquía de la masa del neutrino, o cuál de los tres tipos de neutrinos conocidos, o 'modelos', es el más pesado y que es el más ligero.

Gross presentó el análisis el lunes en la Conferencia Internacional 25a de la física de neutrinos y la Astrofísica en Kyoto, Japón. La conferencia también marca la primera vez que el equipo ha presentado los datos recogidos en la matriz de sensores completa, que se completó en diciembre de 2010.

El análisis de Gross muestra una desaparición de la atmósfera, ya que los neutrinos muón oscilando en neutrinos tau. Aproximadamente 300 billones de dólares de estos neutrinos atmosféricos se crean cada minuto en forma de rayos cósmicos colisionan con las moléculas de aire en la atmósfera de la Tierra, dice Francis Halzen, un físico de la Universidad de Wisconsin-Madison y el investigador principal de la colaboración IceCube. IceCube detecta sólo una decena de neutrinos atmosféricos por hora. La energía de los neutrinos oscilantes se redujo entre 10 y 100 gigaelectronvoltios (GeV), con la señal más fuerte oscilación de llegar a unos 30 GeV.

A pesar de estos muones-a-tau oscilaciones han sido bien estudiados por el acelerador a base de experimentos con neutrinos de energías más bajas, los resultados confirman que las oscilaciones se comportan como se sospecha en los rangos de mayor energía. El acuerdo con la teoría también indica que los detectores de IceCube están trabajando. Mark Chen, un físico de la Universidad de Queens en Kingston, Ontario, y el director del SNO + experimento de neutrinos que se está construyendo en Sudbury, Ontario, dice que los resultados ofrecen una "nueva prueba" a altas energías. "Siempre es bueno para poner a prueba los modelos y las observaciones de prueba", dice.

Investigadores de la Super-Kamiokande, un experimento de neutrinos cerca de Higashi-Mozumi, Japón, también han detectado un pequeño número de oscilaciones de alta energía. Sin embargo, Yoshitaka Itow, un físico de Super-Kamiokande la Universidad de Nagoya en Japón, dice la resolución del experimento de energía por encima de 10 GeV es muy pobre y que por encima de 50 GeV, el experimento no puede resolver la energía de los neutrinos oscilantes en absoluto, por lo que no puede igualar las nuevas solicitudes de IceCube.

Profundizando

El detector IceCube consta de 86 cuerdas o cadenas largas de tubos fotomultiplicadores, espaciados por igual en un área de cerca de 1 kilómetro cuadrado, y desaparece en las profundidades de 1,4-2,4 kilómetros bajo la superficie del hielo. Cuando un neutrino interacciona con una molécula de agua, la reacción produce un destello de luz débil que es detectada por los tubos fotomultiplicadores y traducido en una señal digital.

La mayor parte del tiempo, los científicos IceCube estará el estudio de los neutrinos por encima de 1.000 GeV que emanan de fuentes astrofísicas. Pero para llegar a las oscilaciones de neutrinos, que debe tener como objetivo captar neutrinos de alta energía, porque la probabilidad de oscilaciones que se producen disminuye con el aumento de la energía. Por encima de unos pocos cientos de GeV, las oscilaciones de los tres conocidos sabores de neutrinos son demasiado raros que vale la pena buscar. Así, en 2009, los investigadores IceCube relleno instalado el primer observatorio. Llamado DeepCore, el relleno se compone de ocho cadenas de fotosensores agrupados en estrecha colaboración en lo más profundo, el hielo más claro en la matriz de IceCube. DeepCore proporciona mediciones de precisión en el rango de decenas de GeV a un GeV pocos-cien.

La colaboración IceCube está estudiando la posible adición de un relleno en segundo lugar, llama PINGU (por fases de actualización IceCube Next Generation), que agrupará una serie adicional de cadenas en DeepCore y permitir que IceCube para detectar oscilaciones tan bajo como pocos GeV. A estas bajas energías, IceCube puede detectar no sólo más eventos de oscilación, sino también, sus investigadores esperan que, de los efectos de la materia ', un fenómeno en donde las oscilaciones de neutrinos en la materia son diferentes de las oscilaciones de neutrinos en el vacío. Este efecto es causado por la interacción entre los neutrinos y electrones de electrones en la materia, que cambia la masa efectiva de los neutrinos. La observación de efectos de materia puede hacer posible para aprender más sobre las masas de los neutrinos, incluyendo la jerarquía de la masa del neutrino.