Físicos em Artes e Ciências propuseram uma nova maneira de aproveitar dados de grandes telescópios de neutrinos, como o Observatório de Neutrinos IceCube, na Antártica. Crédito:Felipe Pedreros / IceCube e National Science Foundation
Físicos da Universidade de Washington em St. Louis propuseram uma maneira de usar dados de neutrinos de ultra-alta energia para estudar interações além do modelo padrão da física de partículas. O modelo 'Zee burst' aproveita novos dados de grandes telescópios de neutrinos, como o IceCube Neutrino Observatory na Antártica e suas futuras extensões.
“Os neutrinos continuam a nos intrigar e a expandir nossa imaginação. Essas 'partículas fantasmas' são as menos compreendidas no modelo padrão, mas eles detêm a chave para o que está além, "disse Bhupal Dev, professor assistente de física em Artes e Ciências e autor de um novo estudo em Cartas de revisão física .
"Até aqui, todos os estudos de interação fora do padrão no IceCube focaram apenas nos dados de neutrinos atmosféricos de baixa energia, "disse Dev, que faz parte do Centro McDonnell de Ciências Espaciais da Universidade de Washington. "O mecanismo 'Zee burst' fornece uma nova ferramenta para sondar interações não padronizadas usando os neutrinos de ultra-alta energia no IceCube."
Eventos de energia ultra-alta
Desde a descoberta das oscilações de neutrinos há duas décadas, que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2015, os cientistas fizeram um progresso significativo na compreensão das propriedades dos neutrinos - mas muitas questões permanecem sem resposta.
Por exemplo, o fato de os neutrinos terem uma massa tão pequena já exige que os cientistas considerem teorias além do modelo padrão. Em tais teorias, "os neutrinos podem ter novas interações fora do padrão com a matéria à medida que se propagam por ela, o que afetará de maneira crucial suas futuras medições de precisão, "Dev disse.
Este é o neutrino de maior energia já observado, com energia estimada de 1,14 PeV. Foi detectado pelo Observatório de Neutrinos IceCube no Pólo Sul em 3 de janeiro, 2012. Os físicos do IceCube o chamaram de Ernie. Crédito:colaboração IceCube
Em 2012, a colaboração IceCube relatou a primeira observação de neutrinos de ultra-alta energia de fontes extraterrestres, que abriu uma nova janela para estudar as propriedades dos neutrinos nas energias mais altas possíveis. Desde aquela descoberta, IceCube relatou cerca de 100 desses eventos de neutrino de ultra-alta energia.
"Percebemos imediatamente que isso poderia nos dar uma nova maneira de procurar partículas exóticas, como parceiros supersimétricos e matéria escura em decomposição pesada, "Dev disse. Nos anos anteriores, ele estava procurando maneiras de encontrar sinais de nova física em diferentes escalas de energia e foi coautor de meia dúzia de artigos estudando as possibilidades.
"A estratégia comum que segui em todos esses trabalhos foi procurar características anômalas no espectro de eventos observados, que poderia então ser interpretado como um possível sinal de uma nova física, " ele disse.
A característica mais espetacular seria uma ressonância:o que os físicos testemunham como um aumento dramático dos eventos em uma estreita janela de energia. Dedicou-se a pensar em novos cenários que pudessem dar origem a esse recurso de ressonância. É daí que surgiu a ideia para o trabalho atual.
No modelo padrão, neutrinos de ultra-alta energia podem produzir um bóson W na ressonância. Este processo, conhecida como ressonância Glashow, já foi visto no IceCube, de acordo com os resultados preliminares apresentados na conferência Neutrino 2018.
"Propomos que características de ressonância semelhantes podem ser induzidas devido à nova luz, partículas carregadas, que fornece uma nova maneira de sondar as interações de neutrino não padrão, "Dev disse.
Renderização de uma observação dos eventos de ultra-alta energia que alimentam o modelo de 'explosão de Zee'. Crédito:Yicong Sui, Washington University
Estourando na cena do neutrino
Dev e seu co-autor Kaladi Babu da Oklahoma State University consideraram o modelo Zee, um modelo popular de geração de massa de neutrino radiativo, como um protótipo para seu estudo. Este modelo permite que escalares carregados sejam tão leves quanto 100 vezes a massa do próton.
"Esta luz, Zee-escalares carregados podem dar origem a uma ressonância semelhante a Glashow no espectro de eventos de neutrino de ultra-alta energia no Observatório de Neutrinos IceCube, "Dev disse.
Como a nova ressonância envolve escalares carregados no modelo Zee, eles decidiram chamá-lo de 'explosão Zee'.
Yicong Sui na Washington University e Sudip Jana no estado de Oklahoma, ambos alunos de pós-graduação em física e co-autores deste estudo, fez extensas simulações de eventos e análise de dados mostrando que é possível detectar essa nova ressonância usando dados do IceCube.
"Precisamos de um tempo de exposição efetivo de pelo menos quatro vezes a exposição atual para sermos sensíveis o suficiente para detectar a nova ressonância - de modo que seria cerca de 30 anos com o design do IceCube atual, mas apenas três anos de IceCube-Gen 2, "Dev disse, referindo-se à extensão proposta de próxima geração do IceCube com volume de detector de 10 km3.
"Esta é uma maneira eficaz de procurar os novos escalares carregados no IceCube, complementar para buscas diretas por essas partículas no Grande Colisor de Hádrons. "
