Sete neutrinos raros de alta energia detectados em uma gigatonelada de gelo transparente: WebCuriosos

Cerca de um trilhão minúsculas partículas chamadas neutrinos passar por você a cada segundo. Criados durante o Big Bang, esses neutrinos “relíquias” existem em todo o universo, mas não podem causar danos a você. Na verdade, é provável que apenas um deles toque levemente em um átomo do seu corpo durante toda a sua vida.

A maioria dos neutrinos produzidos por objetos como buracos negros têm muito mais energia do que os neutrinos relíquias flutuando no espaço. Embora muito mais raros, esses neutrinos energéticos têm maior probabilidade de colidir com alguma coisa e criar um sinal que físicos como eu pode detectar. Mas para detectá-los, os físicos de neutrinos tiveram que construir experimentos muito grandes.

Cubo de Geloum desses experimentos, documentou um tipo especialmente raro de neutrino astrofísico particularmente energético em um estudo publicado em abril de 2024. Esses neutrinos energéticos muitas vezes se disfarçam de outros tipos mais comuns de neutrinos. Mas, pela primeira vez, meus colegas e eu conseguimos detectá-los, extraindo alguns de quase 10 anos de dados.

A sua presença coloca investigadores como eu um passo mais perto de desvendar o mistério de como são produzidas partículas altamente energéticas como os neutrinos astrofísicos.

Observatório IceCube

O Observatório de Neutrinos IceCube é o gorila de 800 libras de grandes experimentos com neutrinos. Tem cerca de 5.000 sensores que observaram atentamente uma gigatonelada de gelo sob o Pólo Sul durante mais de uma década. Quando um neutrino colide com um átomo do gelo, ele produz uma bola de luz que os sensores registram.

O IceCube detectou neutrinos criados em vários lugares, como o Atmosfera da Terrao centro do Galáxia Via Láctea e buracos negros em outras galáxias muitos anos-luz de distância.

Mas o neutrino tau, um tipo de neutrino particularmente energético, escapou do IceCube – até agora.

Sabores de neutrinos

Neutrinos entram três tipos diferentesque os físicos chamam de sabores. Cada sabor deixa uma marca distinta em um detector como o IceCube.

Quando um neutrino colide com outra partícula, geralmente produz uma partícula carregada que corresponde ao seu sabor. Um neutrino de múon produz um múon, um neutrino de elétron produz um elétron e um neutrino de tau produz um tau.

Neutrinos com sabor de múon têm a assinatura mais distinta, então meus colegas e eu na colaboração IceCube naturalmente procuramos por eles primeiro. O múon emitido por uma colisão de neutrinos múons viajará através de centenas de metros de gelo, formando um longo rastro de luz detectável, antes de decair. Esta trilha permite aos pesquisadores rastrear a origem do neutrino.

A seguir, a equipe analisou os neutrinos do elétron, cujas interações produzem uma bola de luz aproximadamente esférica. O elétron produzido por uma colisão de neutrinos de elétrons nunca decai e atinge todas as partículas do gelo de que se aproxima. Esta interação deixa uma bola de luz em expansão em seu rastro antes que o elétron finalmente pare.

Como a direção do neutrino do elétron é muito difícil de discernir a olho nu, os físicos do IceCube aplicaram técnicas de aprendizado de máquina para apontar para onde os neutrinos do elétron podem ter sido criados. Essas técnicas empregam recursos computacionais sofisticados e ajustam milhões de parâmetros para separar sinais de neutrinos de todas as origens conhecidas.

O terceiro sabor do neutrino, o neutrino do tau, é o camaleão do trio. Um neutrino tau pode aparecer como um rastro de luz, enquanto o próximo pode aparecer como uma bola. A partícula tau criada na colisão viaja por uma pequena fração de segundo antes de decair e, quando decai, geralmente produz uma bola de luz.

Esses neutrinos tau crie duas bolas de luzaquele em que eles inicialmente batem em algo e criam um tau, e aquele em que o próprio tau decai. Na maioria das vezes, a partícula tau decai depois de percorrer apenas uma distância muito curta, fazendo com que as duas bolas de luz se sobreponham tanto que são indistinguíveis de uma única bola.

Mas a energias mais elevadas, a partícula tau emitida pode viajar dezenas de metros, resultando em duas bolas de luz separadas uma da outra. Os físicos armados com essas técnicas de aprendizado de máquina podem ver através disso e encontrar a agulha no palheiro.

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Quando os neutrinos se movem através do IceCube, uma pequena fração deles irá interagir com os átomos do gelo e produzir luz, que os sensores registram. No vídeo, as esferas representam sensores individuais, sendo o tamanho de cada esfera proporcional à quantidade de luz que detecta. As cores indicam o tempo relativo de chegada da luz, de acordo com as cores do arco-íris, com o vermelho chegando mais cedo e o violeta mais tarde.

Neutrinos energéticos do tau

Com essas ferramentas computacionais, a equipe conseguiu extrair sete fortes candidatos a neutrinos do tau a partir de cerca de 10 anos de dados. Esses taus tinham energias mais altas até mesmo do que os aceleradores de partículas mais poderosos da Terra, o que significa que devem ser provenientes de fontes astrofísicas, como buracos negros.

Estes dados confirmam a capacidade do IceCube descoberta anterior de neutrinos astrofísicos, e eles confirmam uma dica que o IceCube captou anteriormente de neutrinos tau astrofísicos.

Estes resultados também sugerem que mesmo nas energias mais altas e em grandes distâncias, os neutrinos se comportam da mesma maneira como fazem em energias mais baixas.

Em particular, a detecção de neutrinos astrofísicos do tau confirma que neutrinos energéticos de fontes distantes mudar de sabor ou oscilar. Neutrinos com energias muito mais baixas, viajando distâncias muito mais curtas, também oscilam da mesma maneira.

À medida que o IceCube e outras experiências com neutrinos reúnem mais dados, e os cientistas melhoram a distinção entre os três sabores de neutrinos, os investigadores serão eventualmente capazes de adivinhar como são produzidos os neutrinos provenientes dos buracos negros. Também queremos descobrir se o espaço entre a Terra e estes distantes aceleradores astrofísicos de neutrinos trata as partículas de maneira diferente dependendo de sua massa.

Haverá sempre menos neutrinos energéticos do tau e seus primos múons e elétrons em comparação com os neutrinos mais comuns que vêm do Big Bang. Mas há o suficiente para ajudar cientistas como eu a procurar os emissores de neutrinos mais poderosos do universo e a estudar o espaço ilimitado entre eles.

Douglas CowenProfessor de Física e Professor de Astronomia e Astrofísica, Estado da Pensilvânia

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.