p Neutrinos são partículas subatômicas abundantes que são famosas por passar por tudo e qualquer coisa, apenas muito raramente interagindo com a matéria. Cerca de 100 trilhões de neutrinos passam por seu corpo a cada segundo. Agora, os cientistas demonstraram que a Terra interrompe os neutrinos energéticos - eles não passam por tudo. Essas interações de neutrinos de alta energia foram vistas pelo detector IceCube, uma matriz de 5, 160 sensores ópticos do tamanho de uma bola de basquete profundamente encerrados em um quilômetro cúbico de gelo antártico muito claro perto do Pólo Sul. p Os sensores do IceCube não observam diretamente os neutrinos, mas em vez disso meça flashes de luz azul, conhecido como radiação Cherenkov, emitida por múons e outras partículas carregadas de movimento rápido, que são criados quando os neutrinos interagem com o gelo, e pelas partículas carregadas produzidas quando os múons interagem enquanto se movem através do gelo. Medindo os padrões de luz dessas interações dentro ou perto da matriz de detectores, IceCube pode estimar as direções e energias dos neutrinos.

p O estudo, publicado na edição de 22 de novembro da revista Natureza , foi liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley.

p Spencer Klein, que lidera a equipe de pesquisa IceCube do Berkeley Lab, comentou "Esta análise é importante porque mostra que o IceCube pode fazer contribuições reais para a física de partículas e nuclear, em energias acima do alcance dos aceleradores atuais. "

p Sandra Miarecki, que realizou grande parte da análise de dados enquanto trabalhava para seu doutorado como pesquisadora do IceCube no Berkeley Lab e na UC Berkeley, disse, "É uma ideia multidisciplinar." A análise exigiu contribuições de geólogos que criaram modelos do interior da Terra a partir de estudos sísmicos. Os físicos usaram esses modelos para ajudar a prever como os neutrinos são absorvidos na Terra.

p "Você cria múons 'fingidos' que simulam a resposta dos sensores, "Miarecki disse." Você tem que simular o comportamento deles, tem que haver um modelo de gelo para simular o comportamento do gelo, você também tem que ter simulações de raios cósmicos, e você tem que simular a Terra usando equações. Então você tem que prever, em termos de probabilidade, quantas vezes um determinado múon viria pela Terra. "

p Os resultados do estudo são baseados em um ano de dados de cerca de 10, 800 interações relacionadas a neutrinos, proveniente de um suprimento natural de neutrinos muito energéticos do espaço que passam por um espesso e denso absorvedor:a Terra. A energia dos neutrinos foi crítica para o estudo, já que os neutrinos de alta energia são mais propensos a interagir com a matéria e serem absorvidos pela Terra.

p Os cientistas descobriram que havia menos neutrinos energéticos percorrendo todo o caminho através da Terra até o detector IceCube do que em caminhos menos obstruídos, como aqueles que vêm em trajetórias quase horizontais. A probabilidade de neutrinos serem absorvidos pela Terra era consistente com as expectativas do Modelo Padrão de física de partículas, que os cientistas usam para explicar as forças e partículas fundamentais do universo. Essa probabilidade - de que os neutrinos de uma determinada energia irão interagir com a matéria - é o que os físicos chamam de "seção transversal".

p "Entender como os neutrinos interagem é a chave para a operação do IceCube, "explicou Francis Halzen, investigador principal do Observatório de Neutrinos IceCube e professor de física da University of Wisconsin-Madison. Medições de precisão no acelerador HERA em Hamburgo, Alemanha, nos permitem calcular a seção transversal do neutrino com grande precisão dentro do Modelo Padrão - o que se aplicaria aos neutrinos do IceCube de energias muito mais altas se o Modelo Padrão for válido nessas energias. "Estávamos, é claro, esperando que alguma nova física aparecesse, mas infelizmente descobrimos que o modelo padrão, como sempre, resiste ao teste, "acrescenta Halzen.

p James Whitmore, diretor do programa na divisão de física da National Science Foundation, disse, "O IceCube foi construído para explorar as fronteiras da física e, ao fazer isso, possivelmente desafiar as percepções existentes da natureza do universo. Esta nova descoberta e outras ainda por vir estão dentro do espírito de descoberta científica. "

p Este estudo fornece as primeiras medições de seção transversal para uma faixa de energia de neutrino que é de até 1, 000 vezes maior do que as medições anteriores em aceleradores de partículas. A maioria dos neutrinos selecionados para este estudo eram mais de um milhão de vezes mais energéticos do que os neutrinos produzidos por fontes mais familiares, como o sol ou usinas nucleares. Os pesquisadores tiveram o cuidado de garantir que as medições não fossem distorcidas por problemas do detector ou outras incertezas.

p "Os neutrinos têm uma reputação bastante merecida de nos surpreender com seu comportamento, "disse Darren Grant, porta-voz da Colaboração IceCube e professor de física na Universidade de Alberta, no Canadá. "É incrivelmente empolgante ver esta primeira medição e o potencial que ela tem para futuros testes de precisão."

p Além de fornecer a primeira medição da absorção de neutrinos da Terra, a análise mostra que o alcance científico do IceCube está se estendendo além de seu foco central nas descobertas da física de partículas e no campo emergente da astronomia de neutrinos para os campos da ciência planetária e da física nuclear. Esta análise também interessará aos geofísicos que gostariam de usar neutrinos para obter imagens do interior da Terra, embora isso exija mais dados do que os usados ​​no estudo atual.

p Para este estudo, a colaboração IceCube, que inclui mais de 300 membros de 48 instituições em 12 países, expandiu sua parceria de pesquisa para incluir geólogos em uma equipe multidisciplinar ainda maior.

p Uma compreensão mais profunda de quantas vezes um neutrino virá pela Terra para, eventualmente, interagir com o detector IceCube também requer conhecimento detalhado das propriedades do gelo da Antártica, a interação dos raios cósmicos com a atmosfera da Terra, e como os neutrinos interagem com a matéria.

p Os neutrinos usados ​​nesta análise foram produzidos principalmente quando o hidrogênio ou núcleos mais pesados ​​de raios cósmicos de alta energia, criado fora do sistema solar, interagiu com núcleos de nitrogênio ou oxigênio na atmosfera da Terra. Isso cria uma cascata de partículas, incluindo vários tipos de partículas subatômicas que decaem, produzindo neutrinos. Essas partículas chovem na superfície da Terra de todas as direções.

p A análise também incluiu um pequeno número de neutrinos astrofísicos, que são produzidos fora da atmosfera da Terra, de aceleradores cósmicos não identificados até hoje, talvez associado a buracos negros supermassivos.

p Os eventos de interação de neutrino que foram selecionados para o estudo têm energias de pelo menos um trilhão de elétron-volts, ou um teraeletronvolt (TeV), aproximadamente a energia cinética de um mosquito voador. Nesta energia, a absorção de neutrinos pela Terra é relativamente pequena, e os neutrinos de menor energia no estudo serviram amplamente como uma linha de base livre de absorção. A análise foi sensível à absorção na faixa de energia de 6,3 TeV a 980 TeV, limitado na extremidade de alta energia por uma escassez de neutrinos suficientemente energéticos.

p Nessas energias, cada próton ou nêutron individual em um núcleo atua independentemente, portanto, a absorção depende do número de prótons ou nêutrons que cada neutrino encontra. O núcleo da Terra é particularmente denso, então a absorção é maior lá. Por comparação, os neutrinos mais energéticos que foram estudados em aceleradores de partículas construídos por humanos estavam com energias abaixo de 0,4 TeV. Os pesquisadores usaram esses aceleradores para apontar feixes contendo um número enorme desses neutrinos de baixa energia em detectores massivos, mas apenas uma pequena fração produz interações.

p Os pesquisadores do IceCube usaram dados coletados de maio de 2010 a maio de 2011, de uma matriz parcial de strings de 79 ", "cada um contendo 60 sensores embutidos a mais de um quilômetro de profundidade no gelo.

p Gary Binder, um estudante de graduação da UC Berkeley afiliado à Divisão de Ciências Nucleares do Berkeley Lab, desenvolveu o software que foi usado para ajustar os dados do IceCube a um modelo que descreve como os neutrinos se propagam pela Terra.

p Disto, o software determinou a seção transversal que melhor se ajustou aos dados. Chris Weaver, estudante da University of Wisconsin - Madison, desenvolveu o código para selecionar os eventos de detecção usados ​​por Miarecki.

p Simulações para apoiar a análise foram conduzidas usando supercomputadores na Universidade de Wisconsin-Madison e no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab.

p Os físicos agora esperam repetir o estudo usando uma versão expandida, análise plurianual de dados de toda a matriz IceCube de 86 cordas, que foi concluído em dezembro de 2010, e olhar para faixas mais altas de energias de neutrino em busca de qualquer sugestão de nova física além do Modelo Padrão. IceCube já detectou vários neutrinos de ultra-alta energia, na faixa de petaeletronvolts (PeV), que tem um 1, Energia 000 vezes maior do que a detectada na faixa TeV.

p Klein disse, "Uma vez que podemos reduzir as incertezas e podemos olhar para energias ligeiramente superiores, podemos olhar para coisas como efeitos nucleares na Terra, e efeitos eletromagnéticos coletivos. "

p Fichário adicionado, "Também podemos estudar quanta energia um neutrino transfere para um núcleo quando ele interage, dando-nos outra sondagem da estrutura nuclear e física além do modelo padrão. "

p Mais dados irão reduzir as incertezas e fornecer neutrinos com energias ainda mais altas, abrindo novas oportunidades para sondar a física de neutrinos além do modelo padrão. Também permitirá que os cientistas explorem a fronteira entre o núcleo sólido interno da Terra e seu núcleo externo líquido.

p Uma meta de longo prazo é construir um detector maior, o que permitiria aos cientistas estudar neutrinos de energias ainda mais altas. O IceCube-Gen2 proposto seria 10 vezes maior do que o IceCube. Seu tamanho maior permitiria ao detector coletar mais dados de neutrinos em energias muito altas.

p Alguns cientistas estão procurando construir um detector ainda maior, 100 quilômetros cúbicos ou mais, usando uma nova abordagem que busca pulsos de ondas de rádio produzidos quando neutrinos de alta energia interagem no gelo. Medições de absorção de neutrinos por um detector baseado em rádio poderiam ser usadas para pesquisar novos fenômenos que vão muito além da física considerada no Modelo Padrão e poderiam examinar a estrutura dos núcleos atômicos em mais detalhes do que os de outros experimentos.

p Miarecki disse, "Isso é muito emocionante - eu não poderia ter pensado em um projeto mais interessante."