A ideia era tão rebuscada que parecia ficção científica:criar um observatório a partir de um bloco de gelo de um quilômetro cúbico na Antártica para rastrear partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos que passam pela Terra. Mas falando com Benedickt Riedel, gerente de computação global do Observatório IceCube Neutrino, faz todo o sentido.

"Construir um observatório comparável em qualquer outro lugar seria astronomicamente caro, "Riedel explicou." O gelo da Antártica é um ótimo material óptico e nos permite sentir os neutrinos como em nenhum outro lugar. "

Neutrinos são partículas subatômicas neutras com massa próxima de zero que podem passar por materiais sólidos próximos à velocidade da luz, raramente reage com matéria normal. Eles foram detectados pela primeira vez na década de 1950 em experimentos que operaram perto de reatores nucleares, que também geram essas partículas. Além disso, descobriu-se que eram criados por raios cósmicos interagindo com nossa atmosfera. Mas os astrofísicos acreditavam que eram provavelmente generalizados e causados ​​por uma variedade de eventos cósmicos, se eles pudessem ser detectados.

Mais importante, os cientistas acreditavam que eles poderiam ser pistas essenciais para outros fenômenos. "20 por cento do universo potencialmente visível é escuro para nós, "Riedel explicou." Isso se deve principalmente às distâncias e à idade do Universo. A luz de alta energia também está oculta. É absorvido ou sofre uma transformação que torna difícil rastrear a origem. IceCube revela uma fatia do Universo que ainda não observamos. "

Uma nova ferramenta importante na caixa de ferramentas de astronomia com vários mensageiros

A astronomia multi-mensageiro descreve uma abordagem que combina observações de luz, ondas gravitacionais, e partículas para entender alguns dos eventos mais extremos do Universo. Os neutrinos desempenham um papel importante neste tipo de pesquisa.

Antes de 1987, com a explosão da Supernova 1987a, todas as observações astronômicas extra-solares foram baseadas em fótons. Hoje, sistemas de detecção adicionais aumentam nossa visão do cosmos, incluindo todos os levantamentos do céu e detectores de ondas gravitacionais. Contudo, a maioria dos observatórios só pode olhar para uma pequena parte do céu. Cubo de gelo, por causa da natureza dos neutrinos, pode observar os voos dessas partículas de qualquer direção, e, portanto, agir como uma sentinela em pleno céu.

O bloco de gelo na Estação do Pólo Sul Amundsen-Scott na Antártica - com até cem mil anos de idade e extremamente claro - é equipado com sensores entre 1, 450 e 2, 450 metros abaixo da superfície. À medida que os neutrinos passam pelo gelo, eles podem interagir com um próton ou nêutron, produzindo fótons que então viajam através do gelo, e pode ser detectado por um sensor. Os sensores transformam esses sinais de interações de neutrinos - um punhado de uma hora - em dados digitais que são então analisados ​​para determinar se eles representam uma fonte local (a atmosfera da Terra) ou distante.

"Com base na análise, os pesquisadores também são capazes de determinar de onde no céu a partícula veio, sua energia, e às vezes, que tipo de neutrino - elétron, muon ou tau - era, "disse James Madson, diretor executivo do Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center.

Em 2017, O IceCube detectou um neutrino com energia de 290 teraeletronvolts (TeV) e enviou um alerta. A detecção desencadeou uma extensa campanha envolvendo mais de vinte telescópios espaciais e terrestres. Eles identificaram um blazar a 3,5 bilhões de anos-luz de distância, identificar uma fonte de raios cósmicos de alta energia pela primeira vez e lançar uma nova era na detecção de multi-mensageiro, de acordo com Riedl.

"Procuramos continuamente em nosso conjunto de dados em tempo quase real por eventos interessantes de neutrinos, "ele explicou." Encontramos um e enviamos um alerta por e-mail para a comunidade. Eles seguiram com todas essas outras observações eletromagnéticas, localizar uma fonte de raios gama conhecida. Eles também encontraram, ao longo de um mês, um aumento da atividade da fonte. "

IceCube descobre evidências de antineutrino de elétrons de alta energia

Em 10 de março, 2021, IceCube anunciou a detecção de um evento de ressonância Glashow, um fenômeno previsto pelo físico ganhador do Nobel Sheldon Glashow em 1960. A ressonância de Glashow descreve a formação de um W? bóson - uma partícula elementar que medeia a força fraca - durante a interação de um elétron antineutrino de alta energia com um elétron, com pico em uma energia antineutrino de 6,3 petaeletronvolts (PeV). Sua existência é uma previsão chave do Modelo Padrão da física de partículas. Os resultados demonstraram ainda mais a capacidade do IceCube de fazer física fundamental. O resultado foi publicado no dia 10 de março em Natureza .

Embora esta escala de energia esteja fora do alcance dos atuais e futuros aceleradores de partículas planejados, Espera-se que fenômenos astrofísicos naturais produzam antineutrinos que vão além das energias PeV. A notícia da descoberta da ressonância Glashow, "sugere a presença de antineutrinos de elétrons no fluxo astrofísico, ao mesmo tempo que fornece validação adicional do modelo padrão da física de partículas, "escreveram os autores." Sua assinatura única indica um método de distinguir neutrinos de antineutrinos, proporcionando assim uma maneira de identificar aceleradores astronômicos que produzem neutrinos por meio de interações hadronuclear ou foto-hidrônicas, com ou sem campos magnéticos fortes. "

As detecções de neutrinos requerem recursos computacionais significativos para modelar o comportamento do detector e diferenciar sinais extra-solares de eventos de fundo criados a partir de interações de raios cósmicos na atmosfera. Riedel atua como coordenador de uma grande comunidade de pesquisadores - até 300 segundo suas estimativas - que usam o supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center (TACC), um recurso financiado pela National Science Foundation (NSF) para a comunidade nacional.

A IceCube foi premiada com o tempo em Frontera como parte do programa de Parceria com a Comunidade em Grande Escala, que fornece alocações estendidas de até três anos para apoiar experimentos científicos de longa duração. O IceCube - que coleta dados há 14 anos e recentemente recebeu uma bolsa da NSF para expandir as operações nos próximos anos - é um exemplo importante de tal experimento.

"Parte dos recursos da Frontera contribuíram para essa descoberta, "Riedl disse." Há anos de simulações de Monte Carlo que foram necessários para descobrir que poderíamos fazer isso. "

IceCube usa recursos de computação de várias fontes, incluindo o Open Science Grid, o Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), seu próprio cluster de supercomputação local, e recentemente a nuvem Amazon Web Services. Frontera é o maior sistema utilizado, Contudo, e pode lidar com uma grande parte das necessidades computacionais da comunidade de neutrinos, reservar recursos locais ou na nuvem para análises urgentes, Riedel diz.

"Grande parte da computação no Frontera pode não estar diretamente associada a descobertas, mas ajuda no futuro, para discernir melhor os sinais e desenvolver novos algoritmos, " ele disse.

Modelagem de gelo e acompanhamento de sinais promissores

Os projetos para os quais os cientistas do IceCube usam o Frontera variam, mas normalmente envolvem cálculos para entender melhor a natureza ótica do gelo em geral (de forma que a trajetória e outras características das detecções de neutrinos possam ser determinadas com precisão); ou cálculos para analisar eventos específicos que são considerados significativos.

O primeiro tipo de computação usa principalmente o rastreamento de raios para calcular o caminho da luz no gelo a partir de partículas eletricamente carregadas de alta energia produzidas quando os neutrinos interagem. Os raios podem se espalhar ou ser adsorvidos por defeitos no gelo, complicando a análise. Usando unidades de processamento gráfico (GPUs), Riedel encontrou, pode acelerar as simulações para estudar a propagação da luz no gelo em centenas de vezes. A equipe IceCube está entre os maiores usuários do subsistema de GPU Frontera que inclui GPUs NVIDIA RTX.

O segundo tipo de computação ocorre quando os cientistas recebem um alerta informando que receberam um sinal interessante. "Iniciamos um cálculo para analisar o evento que pode chegar a um milhão de CPUs, "Riedl disse." Nós não temos isso, então Frontera pode nos dar uma parte desse poder computacional para executar um algoritmo de reconstrução ou extração. Recebemos esse tipo de evento uma vez por mês. "

"Simulações em grande escala da instalação IceCube e os dados que ela cria nos permitem determinar com rapidez e precisão as propriedades desses neutrinos, que por sua vez expõe a física dos eventos mais energéticos do universo, "disse Niall Gaffney, Diretor de computação intensiva de dados da TACC. "Esta é a chave para validar a física quântica fundamental em ambientes que não podem ser praticamente replicados na Terra."

Os astrônomos de hoje podem observar o universo de muitas maneiras diferentes, e a computação agora é central para quase todos eles. "Mudamos da visão tradicional de um cara com um telescópio olhando para o céu, para instrumentos de grande escala, para agora física de partículas e observatórios de partículas, "Riedl disse." Com este novo paradigma, precisamos de grandes quantidades de computação por curtos períodos de tempo para fazer uma grande computação sensível ao tempo, e grandes centros de computação científica como o TACC nos ajudam a fazer nossa ciência. "