Sete raros neutrnos de alta energia detectados em um Gigaton de gelo claro

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Sete raros neutrnos de alta energia detectados em um
Gigaton de gelo claro
Buracos negros, como o desta ilustração, podem emitir neutrinos energéticos. (NASA/Chandra
Observatory/M.Weiss/AP)
Cerca de um trilhão de partículas minúsculas chamadas neutrinos passam por você a cada segundo.
Criados durante o Big Bang, esses neutrinos "relic" existem em todo o universo, mas não podem
prejudicá-lo. Na verdade, apenas um deles é susceptível de tocar levemente um átomo em seu corpo
em toda a sua vida.
A maioria dos neutrinos produzidos por objetos como buracos negros tem muito mais energia do que os
neutrinos relíquias flutuando pelo espaço. Embora muito mais raros, esses neutrinos energéticos são
mais propensos a colidir com algo e criar um sinal que físicos como eu podem detectar. Mas para
detectá-los, os físicos de neutrinos tiveram que construir experimentos muito grandes.
IceCube, um 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 como outros tipos mais comuns de neutrinos. Mas, pela primeira vez, meus
colegas e eu conseguimos detectá-los, retirando alguns de quase 10 anos de dados.
Sua presença coloca pesquisadores como eu um passo mais perto de desvendar o mistério de como
partículas altamente energéticas como neutrinos astrofísicos são produzidas em primeiro lugar.
Observatório IceCube
O Observatório de Neutrinos IceCube é o gorila de 800 libras de grandes experimentos de neutrinos. Ele
tem cerca de 5.000 sensores que espiaram atentamente uma gigatonelada de gelo sob o Pólo Sul por
mais de uma década. Quando um neutrino colide com um átomo no gelo, ele produz uma bola de luz
que os sensores registram.
https://theconversation.com/how-neutrinos-which-barely-exist-just-ran-off-with-another-nobel-prize-48726
https://www.sciencealert.com/big-bang
https://www.sciencealert.com/neutrinos
https://science.nasa.gov/universe/black-holes/
https://science.psu.edu/physics/people/doug-cowen
https://www.sciencealert.com/neutrinos
https://icecube.wisc.edu/
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.151001
https://icecube.wisc.edu/
https://icecube.wisc.edu/about-us/facts/
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O IceCube detectou neutrinos criados em vários lugares, como a atmosfera da Terra, o centro da Via
Láctea e buracos negros em outras galáxias a muitos anos-luz de distância.
Mas o neutrino tau, um tipo de neutrino particularmente energético, iludiu IceCube – até agora.
IceCube fica em toneladas de gelo claro, permitindo que os cientistas façam interações com
neutrinos. (Cmichel67/Wikimedia Commons, CC BY-SA)
Sabores de neutrinos
Os neutrinos vêm em três tipos diferentes, que os físicos chamam de sabores. Cada sabor deixa uma
marca distinta em um detector como IceCube.
Quando um neutrino bate em outra partícula, geralmente produz uma partícula carregada que
corresponde ao seu sabor. Um neutrino de múon produz um múon, um neutrino de elétrons produz um
elétron, e um neutrino tau produz um tau.
Neutrinos com um sabor de múon têm a assinatura mais distinta, então meus colegas e eu na
colaboração IceCube naturalmente procuramos os primeiros. O múon emitido a partir de uma colisão de
neutrinos de múons viajará através de centenas de metros de gelo, fazendo uma longa trilha de luz
detectável, antes que ela decai. Esta faixa permite aos pesquisadores rastrear a origem do neutrino.
A próxima equipe analisou os neutrinos de elétrons, cujas interações produzem uma bola de luz
aproximadamente esférica. O elétron produzido por uma colisão de neutrinos de elétrons nunca decai, e
ele bate em cada partícula no gelo que se aproxima. Esta interação deixa uma bola de luz em expansão
em seu rastro antes que o elétron finalmente venha a descansar.
https://icecube.wisc.edu/news/research/2014/10/atmospheric-neutrino-oscillations-measured-with-three-years-of-icecube-data/
https://theconversation.com/icecube-neutrino-detector-in-antarctica-spots-first-high-energy-neutrinos-emitted-in-our-own-milky-way-galaxy-208743
https://theconversation.com/the-icecube-observatory-detects-neutrino-and-discovers-a-blazar-as-its-source-99720
https://en.wikipedia.org/wiki/File:IceCube_Neutrino_Observatory_in_2023_02.jpg
https://neutrinos.fnal.gov/types/flavor/
https://icecube.wisc.edu/science/icecube/
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Como a direção do neutrino de elétrons é muito difícil de discernir pelo olho, os físicos do IceCube
aplicaram técnicas de aprendizado de máquina para apontar de volta para onde os neutrinos de elétrons
poderiam ter sido criados. Essas técnicas empregam recursos computacionais sofisticados e sintonizam
milhões de parâmetros para separar sinais de neutrinos de todos os fundos conhecidos.
O terceiro sabor do neutrino, o neutrino tau, é o camaleão do trio. Um neutrino tau pode aparecer como
uma faixa 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 criam duas bolas de luz, uma onde inicialmente batem em algo e criam uma tau, e
uma onde a tau em decompõe. Na maioria das vezes, a partícula tau decai depois de viajar apenas uma
distância muito curta, fazendo com que as duas bolas de luz se sobreponham tanto que são
indistinguíveis de uma única bola.
Mas em energias mais elevadas, a partícula tau emitida pode viajar dezenas de metros, resultando em
duas bolas de luz separadas uma da outra. Físicos armados com essas técnicas de aprendizado de
máquina podem ver através disso para encontrar a agulha no palheiro.
https://youtu.be/2DDQYHIbL3Q
Quando os neutrinos se movem através do IceCube, uma pequena fração deles irá interagir com os
átomos no gelo e produzir luz, que os sensores registram. No vídeo, as esferas representam sensores
individuais, com o tamanho de cada esfera proporcional à quantidade de luz que detecta. As cores
indicam a hora relativa de chegada da luz, de acordo com as cores do arco-íris, com o vermelho
chegando mais cedo e violeta mais recente.
Neutrinos de tau energéticos
Com essas ferramentas computacionais, a equipe conseguiu extrair sete fortes neutrinos de tabu
candidatos de cerca de 10 anos de dados. Estes taus tinham energias mais elevadas do que até mesmo
https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/machine-learning
https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/machine-learning
https://icecube.wisc.edu/news/research/2024/03/icecube-observes-seven-astrophysical-tau-neutrino-candidates/
https://www.sciencealert.com/artificial-intelligence
https://youtu.be/2DDQYHIbL3Q
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os mais poderosos aceleradores de partículas na Terra, o que significa que eles devem ser de fontes
astrofísicas, como buracos negros.
Esses dados confirmam a descoberta anterior do IceCube de neutrinos astrofísicos, e eles confirmam
uma dica de que o IceCube anteriormente pegou de neutrinos de tau astrofísico.
Esses resultados também sugerem que, mesmo nas energias mais altas e em vastas distâncias, os
neutrinos se comportam da mesma maneira que em energias mais baixas.
Em particular, a detecção de neutrinos de tau astrofísico confirma que os neutrinos energéticos de fontes
distantes mudam de sabor ou oscilam. Neutrinos em energias muito mais baixas viajando distâncias
muito mais curtas também oscilam da mesma maneira.
Como o IceCube e outros experimentos de neutrinos coletam mais dados, e os cientistas melhoram a
distinção dos três sabores de neutrinos, os pesquisadores acabarão sendo capazes de adivinhar como
os neutrinos que vêm dos buracos negros são produzidos. Também queremos descobrir se o espaço
entre a Terra e esses aceleradores de neutrinos astrofísicos distantes trata as partículas de maneira
diferente, dependendo de sua massa.
Sempre haverá menos neutrinos de tau energético e seus muo e primos de elétrons em comparação
com os neutrinos mais comuns que vêm do Big Bang. Mas há o suficiente lá fora para ajudar cientistascomo eu a procurar os mais poderosos emissores de neutrinos no universo e estudar o espaço ilimitado
no meio.
Doug Cowen, professor de Física e professor de Astronomia e Astrofísica, Penn State
Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo
original.
https://www.sciencealert.com/black-holes
https://theconversation.com/the-icecube-observatory-detects-neutrino-and-discovers-a-blazar-as-its-source-99720
https://icecube.wisc.edu/news/research/2023/01/icecube-reports-first-detection-of-candidate-astrophysical-tau-neutrinos/
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.151001
https://neutrinos.fnal.gov/faq/what-are-neutrino-oscillations/
https://icecube.wisc.edu/news/research/2022/10/icecube-probes-for-quantum-gravity-using-astrophysical-neutrino-flavors/
https://theconversation.com/profiles/doug-cowen-514102
https://theconversation.com/institutions/penn-state-1258
https://theconversation.com/
https://theconversation.com/icecube-researchers-detect-a-rare-type-of-energetic-neutrino-sent-from-powerful-astronomical-objects-227958