IceCube identifica sete candidatos astrofísicos ao neutrino do tau

Vista frontal do IceCube Lab no crepúsculo, com um céu estrelado mostrando um vislumbre da Via Láctea acima e a luz solar permanecendo no horizonte. Crédito:Martin Wolf, IceCube/NSF

O Observatório de Neutrinos IceCube, um telescópio de neutrinos de tamanho cúbico localizado no Pólo Sul, observou um novo tipo de mensageiro astrofísico. Em um novo estudo recentemente aceito para publicação como sugestão dos editores pela revista Physical Review Letters e disponível no arXiv servidor de pré-impressão, a colaboração IceCube, incluindo pesquisadores da Penn State, apresentou a descoberta de sete dos outrora esquivos neutrinos astrofísicos do tau.

Os neutrinos são partículas subatômicas minúsculas e de interação fraca que podem viajar distâncias astronômicas sem serem perturbadas. Como tal, podem ser rastreados até às suas fontes, revelando os mistérios das suas origens cósmicas. Os neutrinos de alta energia que se originam nos confins da nossa galáxia são chamados de neutrinos astrofísicos. Esses mensageiros cósmicos vêm em três sabores diferentes:elétron, múon e tau, sendo os neutrinos astrofísicos do tau excepcionalmente difíceis de identificar.

"Em 2013, o IceCube apresentou sua primeira evidência de neutrinos astrofísicos de alta energia originados de aceleradores cósmicos, iniciando uma nova era na astronomia", disse Doug Cowen, professor de física e de astronomia e astrofísica no Eberly College of Science da Penn State e um dos líderes do estudo. "Esta nova descoberta emocionante vem com a possibilidade intrigante de aproveitar os neutrinos do tau para descobrir uma nova física."

O IceCube detecta neutrinos usando séries de módulos ópticos digitais (DOMs), com um total de 5.160 DOMs embutidos nas profundezas do gelo da Antártica. Quando os neutrinos interagem com os núcleos do gelo, são produzidas partículas carregadas que emitem luz azul – que é registada e digitalizada pelos DOMs individuais – enquanto viajam através do gelo. A luz produz padrões distintos. Um desses padrões, denominado eventos de cascata dupla, é indicativo de interações de neutrinos tau de alta energia dentro do detector.

Análises anteriores do IceCube viram indícios dessas assinaturas sutis produzidas por neutrinos astrofísicos do tau, então os pesquisadores permaneceram motivados para identificar essas partículas indescritíveis. Os pesquisadores transformaram os dados de cada evento potencial de neutrino do tau em imagens e, em seguida, treinaram redes neurais convolucionais (CNNs), um tipo de algoritmo de aprendizado de máquina otimizado para classificação de imagens, nas imagens.

Isto permitiu aos investigadores distinguir imagens produzidas por neutrinos tau de imagens produzidas por vários fundos. Depois de executar simulações que confirmaram sua sensibilidade aos neutrinos do tau, a técnica foi então aplicada a 10 anos de dados do IceCube adquiridos entre 2011 e 2020. O resultado foram sete fortes candidatos a eventos de neutrinos do tau.

O Observatório de Neutrinos IceCube detectou sete neutrinos astrofísicos do tau. As partículas outrora indescritíveis interagem fracamente, podem viajar ilesas distâncias astronómicas e podem ser rastreadas até às suas fontes, revelando potencialmente os mistérios das suas origens cósmicas. A imagem mostra o sinal de luz de um dos neutrinos astrofísicos energéticos do tau detectados por vários fotossensores no Observatório de Neutrinos IceCube, no Pólo Sul. Crédito:Colaboração IceCube

"A detecção de sete eventos candidatos a neutrinos do tau nos dados, combinada com a quantidade muito baixa de antecedentes esperados, permite-nos afirmar que é altamente improvável que os antecedentes estejam conspirando para produzir sete impostores de neutrinos do tau", disse Cowen. "Uma vez que os neutrinos do tau nas energias observadas só podem ser produzidos por fontes astrofísicas, a sua detecção também fornece uma forte confirmação da descoberta anterior do fluxo de neutrinos astrofísicos do IceCube."

Cowen acrescentou que a probabilidade de o fundo imitar o sinal foi estimada em menos de 1 em 3,5 milhões, correspondendo a uma significância superior a cinco sigma, considerada o padrão-ouro estatístico para novas descobertas em física.

Análises futuras irão incorporar mais cordas do IceCube, uma vez que este estudo utilizou apenas as três mais iluminadas. Essa nova análise aumentaria a amostra de neutrinos do tau que pode então ser usada para realizar o primeiro estudo de três sabores do fenômeno em que os neutrinos mudam de sabor – chamados oscilações de neutrinos – ao longo de distâncias cosmológicas. Este tipo de estudo poderia abordar questões como o mecanismo de produção de neutrinos a partir de fontes astrofísicas e as propriedades do próprio espaço através do qual os neutrinos viajam, disseram os pesquisadores.

Atualmente, não existe nenhuma ferramenta projetada especificamente para determinar a energia e a direção dos neutrinos do tau que produzem as assinaturas vistas nesta análise. Tal algoritmo poderia ser usado em tempo real para diferenciar melhor um sinal potencial de neutrino de tau do fundo e para ajudar a identificar candidatos a neutrinos de tau no Pólo Sul. Semelhante aos atuais 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.

Aproximadamente 300 físicos de 59 instituições em 14 países compõem a colaboração IceCube. Além de Cowen, os autores do estudo na Penn State incluem Derek Fox, professor associado de astronomia e astrofísica; pesquisadores de pós-doutorado Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton e Jan Weldert; e a estudante de pós-graduação Daria V. Pankova.

Mais informações: Observação de sete candidatos astrofísicos a neutrinos de tau com IceCube, arXiv (2024). DOI:10.48550/arXiv.2403.02516
Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia

Desvendando as origens da vida:Cientistas descobrem formação fria de ácido açucarado no espaço

Explicando um colar de pérolas de supernovas

Astronomia