Em 6 de dezembro, 2016, uma partícula de alta energia chamada antineutrino de elétron foi arremessada para a Terra do espaço sideral próximo à velocidade da luz carregando 6,3 petaeletronvolts (PeV) de energia. Bem no fundo do manto de gelo no Pólo Sul, ele se chocou com um elétron e produziu uma partícula que rapidamente decaiu em uma chuva de partículas secundárias. A interação foi capturada por um enorme telescópio enterrado na geleira Antártica, o Observatório de Neutrinos IceCube.

IceCube tinha visto um evento de ressonância Glashow, um fenômeno previsto pelo físico ganhador do Prêmio Nobel Sheldon Glashow em 1960. Com esta detecção, os cientistas forneceram outra confirmação do modelo padrão da física de partículas. Também demonstrou a capacidade do IceCube, que detecta partículas quase sem massa chamadas neutrinos usando milhares de sensores embutidos no gelo da Antártica, para fazer física fundamental. O resultado foi publicado no dia 10 de março em Natureza .

Sheldon Glashow propôs essa ressonância pela primeira vez em 1960, quando era um pesquisador de pós-doutorado no que hoje é o Instituto Niels Bohr em Copenhagen, Dinamarca. Lá, ele escreveu um artigo no qual previu que um antineutrino (um gêmeo da antimatéria do neutrino) poderia interagir com um elétron para produzir uma partícula ainda não descoberta - se o antineutrino tivesse somente a energia certa - por meio de um processo conhecido como ressonância.

Quando a partícula proposta, o W ^- bóson, foi finalmente descoberto em 1983, acabou sendo muito mais pesado do que o que Glashow e seus colegas esperavam em 1960. A ressonância de Glashow exigiria um neutrino com energia de 6,3 PeV, quase 1, 000 vezes mais energético do que o Grande Colisor de Hádrons do CERN é capaz de produzir. Na verdade, nenhum acelerador de partículas feito pelo homem na Terra, atual ou planejado, poderia criar um neutrino com tanta energia.

Mas e quanto a um natural acelerador - no espaço? As enormes energias dos buracos negros supermassivos nos centros das galáxias e outros eventos cósmicos extremos podem gerar partículas com energias impossíveis de criar na Terra. Esse fenômeno foi provavelmente responsável pelo antineutrino 6,3 PeV que chegou ao IceCube em 2016.

"Quando Glashow era pós-doutorado na Niels Bohr, ele nunca poderia ter imaginado que sua proposta não convencional para produzir o W ^- bóson seria realizado por um antineutrino de uma galáxia distante colidindo com o gelo da Antártica, "diz Francis Halzen, professor de física da Universidade de Wisconsin-Madison, a sede de manutenção e operações do IceCube, e investigador principal do IceCube.

Desde que o IceCube começou a operar plenamente em maio de 2011, o observatório detectou centenas de neutrinos astrofísicos de alta energia e produziu uma série de resultados significativos na astrofísica de partículas, incluindo a descoberta de um fluxo de neutrinos astrofísicos em 2013 e a primeira identificação de uma fonte de neutrinos astrofísicos em 2018. Mas o evento de ressonância Glashow é especialmente notável por causa de sua energia extremamente alta; é apenas o terceiro evento detectado pelo IceCube com uma energia maior que 5 PeV.

"Este resultado prova a viabilidade da astronomia de neutrinos - e a capacidade do IceCube de fazê-lo - que desempenhará um papel importante na física da astropartícula multimensageira do futuro, "diz Christian Haack, que era um estudante de graduação na RWTH Aachen enquanto trabalhava nesta análise. "Agora podemos detectar eventos individuais de neutrinos que são inequivocamente de origem extraterrestre."

O resultado também abre um novo capítulo da astronomia de neutrinos porque começa a separar neutrinos de antineutrinos. "As medições anteriores não foram sensíveis à diferença entre neutrinos e antineutrinos, portanto, este resultado é a primeira medição direta de um componente antineutrino do fluxo de neutrinos astrofísicos, "diz Lu Lu, um dos principais analisadores deste artigo, que era pós-doutorado na Chiba University, no Japão, durante a análise.

"Há uma série de propriedades das fontes dos neutrinos astrofísicos que não podemos medir, como o tamanho físico do acelerador e a força do campo magnético na região de aceleração, "diz Tianlu Yuan, um cientista assistente no Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center e outro analisador principal. "Se pudermos determinar a proporção de neutrino para antineutrino, podemos investigar diretamente essas propriedades. "

Para confirmar a detecção e fazer uma medição decisiva da proporção de neutrino para antineutrino, a colaboração IceCube deseja ver mais ressonâncias Glashow. Uma proposta de expansão do detector IceCube, IceCube-Gen2, permitiria aos cientistas fazer tais medições de uma forma estatisticamente significativa. A colaboração anunciou recentemente uma atualização do detector que será implementada nos próximos anos, o primeiro passo em direção ao IceCube-Gen2.

Glashow, agora um professor emérito de física na Universidade de Boston, ecoa a necessidade de mais detecções de eventos de ressonância Glashow. "Para ter certeza absoluta, devemos ver outro evento semelhante com a mesma energia do que foi visto, "ele diz." Até agora há um, e algum dia haverá mais. "

Por último mas não menos importante, o resultado demonstra o valor da colaboração internacional. IceCube é operado por mais de 400 cientistas, engenheiros, e funcionários de 53 instituições em 12 países, juntos são conhecidos como Colaboração IceCube. Os principais analisadores neste documento trabalharam juntos em toda a Ásia, América do Norte, e Europa.

“A detecção deste evento é outro 'primeiro, demonstrando mais uma vez a capacidade do IceCube de entregar resultados únicos e excelentes, "diz Olga Botner, professor de física na Uppsala University na Suécia e ex-porta-voz da Colaboração IceCube.

"IceCube é um projeto maravilhoso. Em apenas alguns anos de operação, o detector descobriu o que foi financiado para descobrir - os neutrinos cósmicos de maior energia, sua fonte potencial em blazares, e sua capacidade de auxiliar na astrofísica multimensageira, "diz Vladimir Papitashvili, oficial do programa no Office of Polar Programs da National Science Foundation, O principal financiador do IceCube. James Whitmore, oficial do programa na Divisão de Física da NSF, adiciona, "Agora, IceCube surpreende os cientistas com uma rica fonte de novos tesouros que mesmo os teóricos não esperavam encontrar tão cedo. "