Avancerade datormetoder för rekonstruktion av neutrinohändelser med ultrahöga energier

Projekttitel: Avancerade datormetoder för rekonstruktion av neutrinohändelser med ultrahöga energier
Huvudsökande: Christian Glaser, avdelningen för högenergifysik
Beviljade medel: 4 000 000 SEK för perioden 2022-2025

I detta projekt studeras de våldsamma fenomenen i vårt universum som kan accelerera elementarpartiklar upp till en enorm energi på 1020 eV. Detta är ungefär tio miljoner gånger högre energi än vad som kan uppnås i den största jordbaserade acceleratorn, LHC vid CERN. De första observationerna av partiklar i kosmisk strålning med dessa enormt höga energier gjordes under 1960-talet. Partiklarna gav upphov till frågor som även idag delvis är obesvarade. Var kommer de ifrån? Vad accelererar partiklarna till dessa fantastiska energier? Mysteriet tilltar när man inser den skenbara paradoxen i att kosmisk strålning med dessa energier dels inte kan komma från den nära omgivningen då det här inte finns några kända objekt som kan åstadkomma en så kraftfull acceleration, och dels inte kan komma från avlägsna källor då de skulle ha tappat energi i kollisioner med den överallt närvarande kosmiska bakgrundsstrålningen i mikrovågsområdet. Man tror att kosmisk strålning uppstår i närheten av supermassiva svarta hål eller t.ex. när två neutronstjärnor smälter samman.

Det bästa sättet att hitta källorna till kosmisk strålning är att leta efter neutriner. Neutriner är svårfångade partiklar som skapas av den kosmiska strålningen. Neutriner färdas närmast obehindrat genom universum och är perfekta kosmiska budbärare.

Neutriner vid mycket höga energier kommer att ge information om källorna till kosmisk strålning med de högsta energierna och om accelerationsprocesser i universum. Neutriner kommer här att ha en avgörande betydelse. Ett antal olika typer av källor har föreslagits, t.ex. kärnor i aktiva galaxer där mycket stora energimängder omsätts.

För att jaga dessa svårfångade neutriner kan man bege sig till de kallaste platserna på jorden, där marken är täckt av kilometertjocka istäcken. Lämpliga platser är Sydpolen och centrala Grönland. Sommaren 2021 kommer isen vid Summit Station på Grönland att instrumenteras med hundratals radioantenner för att söka efter radioblixtar som genereras av laddade partiklar som skapats när neutriner kolliderar med atomkärnor i isen. De första stationerna i detta Radio-Neutrino-Observatorium på Grönland (RNO-G) börjar mäta redan 2021 och byggandet kommer att vara klart 2023. En ännu större detektor med tusentals antenner planeras för närvarande för Sydpolen. Eftersom radiovågorna når långt genom isen så behövs endast ett glest nät av autonoma mottagarstationer, med inbördes avstånd på någon km. Detta gör det möjligt att bygga en gigantisk detektor, till rimliga kostnader, vilken kommer att övervaka triljoner ton is.

Projektet kommer att utveckla algoritmer för att bestämma neutrinernas riktning och energi från de observerade radioblixtarna. Vi kommer att använda de senaste datametoderna för djupinlärning. Vi kommer att anpassa de nya metoder som används för bildigenkänning till rekonstruktion av neutrinosignaler. Vi kommer att träna ett stort neuralt nätverk på kraftfulla grafiska processorer för att återskapa neutrinernas egenskaper från radioblixtarna.

Detta projekt kommer att vara ett avgörande bidrag till framgången för neutrinodetektorn RNO-G och kommer att göra det möjligt att söka efter ursprunget till högenergineutriner och kosmisk strålning. Senare kommer metoderna att användas vid den planerade detektorn på Sydpolen.