O 'IceCube Neutrino Observatory' na Antártida, Parece ter Detectado Novas Candidatas as Chamadas Partículas-Fantasma

Caros leitores e leitoras do BS,

 

No dia 07/03, o portal oficial do IceCube Neutrino Observatory, localizado na Antártida, anunciou que o observatório parece ter identificado 'sete novas candidatos' a 'neutrinos tau astrofísicos', conhecidos como Partículas-Fantasma.

 

(Credito: IceCube/NSF)

Nesta composição artística, baseada em uma imagem real do Laboratório IceCube no Polo Sul, uma fonte distante emite neutrinos que são detectados abaixo do gelo por sensores do IceCube, chamados módulos ópticos digitais (DOMs).

 

Neutrinos são partículas subatômicas extremamente pequenas e fracamente interativas que podem percorrer distâncias astronômicas sem serem afetadas. Por causa disso, eles podem ser rastreados até suas fontes, revelando os mistérios do cosmos. Neutrinos de alta energia provenientes de além da nossa galáxia são chamados de neutrinos astrofísicos e são o principal objeto de estudo do Observatório de Neutrinos IceCube, um telescópio de neutrinos com um quilômetro cúbico de tamanho localizado no Polo Sul. Em 2013, o IceCube apresentou suas primeiras evidências de neutrinos astrofísicos de alta energia originários de aceleradores cósmicos, inaugurando uma nova era na astronomia.

 

Esses mensageiros cósmicos vêm em três tipos diferentes: elétron, múon e tau, sendo os neutrinos tau astrofísicos particularmente difíceis de detectar. Agora, em um novo estudo recentemente aceito como "Sugestão dos Editores" pela Physical Review Letters, a Colaboração IceCube apresenta a descoberta dos antes esquivos neutrinos tau astrofísicos, uma nova categoria de mensageiros astrofísicos.

 

O IceCube detecta neutrinos usando cabos (cordas) de módulos ópticos digitais (DOMs), com um total de 5.160 DOMs implantados profundamente no gelo da Antártida. Quando neutrinos interagem com moléculas no gelo, partículas carregadas são produzidas e emitem luz azul ao atravessar o gelo, que é então registrada e digitalizada pelos DOMs individuais. A luz produz padrões distintos, um dos quais são eventos de dupla cascata de interações de neutrinos tau de alta energia dentro do detector.

 

Credito: Jack Pairin/IceCube Collaboration

A imagem acima é um diagrama que mostra a produção de uma forma de onda de pulso duplo. Os fótons de uma interação de neutrino (azul) chegam ao DOM do meio superior no tempo tI, produzindo o primeiro pico na forma de onda, enquanto os fótons da decomposição do lépton tau (roxo) chegam ao mesmo DOM no tempo tD, produzindo o segundo pico.

 

Como análises anteriores do IceCube viram indícios de assinaturas sutis produzidas por neutrinos tau astrofísicos, os pesquisadores permaneceram motivados para identificar os neutrinos tau. Após renderizar cada evento em três imagens (ver figura abaixo), eles treinaram redes neurais convolucionais (CNNs) otimizadas para classificação de imagens para distinguir imagens produzidas por neutrinos tau de imagens produzidas por vários fundos. Depois de ter simulações rodando que confirmaram sua sensibilidade aos neutrinos tau, a técnica foi então aplicada a 10 anos de dados do IceCube adquiridos entre 2011 e 2020. O resultado foi sete eventos fortes de neutrinos tau candidatos.

 

"A detecção de sete eventos de neutrinos tau candidatos nos dados, combinada com a quantidade muito baixa de fundo esperada, nos permite afirmar que é altamente improvável que os fundos estejam conspirando para produzir sete impostores de neutrinos tau", disse Doug Cowen, professor de física na Universidade do Estado da Pensilvânia e um dos líderes do estudo. "A descoberta de neutrinos tau astrofísicos também fornece uma forte confirmação da descoberta anterior do IceCube do fluxo difuso de neutrinos astrofísicos.

 

Crédito: Colaboração IceCube

Candidato a neutrino tau astrofísico detectado em 13 de novembro de 2019. Cada coluna corresponde a uma das três cordas vizinhas do evento selecionado. Cada figura na fileira superior mostra o número do DOM, proporcional à profundidade, versus o tempo do sinal PMT digitalizado em intervalos de 3 ns, com a cor do intervalo correspondendo ao tamanho do sinal em cada intervalo de tempo, para cada uma das três cordas. O número total de fótons detectados por cada corda é fornecido no canto superior esquerdo de cada figura. Na corda mais iluminada (coluna à esquerda), a chegada de luz de duas cascadas é visível como duas hipérboles distintas. A fileira inferior de figuras mostra a "salientação" para uma das CNNs para cada uma das três cordas. A salientação mostra onde as mudanças no nível de luz têm o maior impacto no valor do escore da CNN. A linha preta sobreposta às parcelas de saliência mostra onde o nível de luz vai para zero e é efetivamente um contorno das figuras na fileira superior. A saliência é maior nas bordas dianteira e traseira da luz emitida pelas duas cascadas de neutrinos tau, mostrando que a CNN é principalmente sensível à estrutura geral do evento.

Cowen acrescentou que a probabilidade do fundo imitar o sinal foi estimada em menos de um em 3,5 milhões.

 

Análises futuras incorporarão mais das cordas do IceCube, já que este estudo usou apenas três delas. A nova análise aumentaria a amostra de neutrinos tau que então poderiam ser usados para realizar o primeiro estudo de oscilações de neutrinos de três sabores - o fenômeno em que os neutrinos mudam de sabor - em distâncias cosmológicas. Esse tipo de estudo poderia abordar questões como o mecanismo de produção de neutrinos de fontes astrofísicas e as propriedades do espaço através do qual os neutrinos viajam.

 

Atualmente, não há ferramenta especificamente projetada para determinar a energia e direção dos neutrinos tau que produzem as assinaturas vistas nesta análise. Tal algoritmo poderia ser usado para diferenciar melhor um potencial sinal de neutrino tau do fundo e ajudar a identificar neutrinos tau candidatos em tempo real no Polo Sul. Semelhante aos alertas em tempo real do IceCube emitidos para outros tipos de neutrinos, alertas para neutrinos tau poderiam ser emitidos para a comunidade astronômica para estudos de acompanhamento.

 

No geral, esta emocionante descoberta vem com a "possibilidade intrigante de alavancar neutrinos tau para descobrir nova física", disse Cowen.

 

Para maiores informações leia “Observação de sete candidatos astrofísicos a neutrinos de Tau com IceCube,” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al. Aceito por cartas de revisão física. arxiv.org/abs/2403.02516

 

Leia também para completar esta informação a notícia: "Improving in-ice particle shower models for reconstruction of IceCube events"

 

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