Caçando o indescritível:IceCube observa sete potenciais neutrinos do tau
Edifício IceCube na Antártida (topo) e sinais de neutrinos tau detectados pelo Observatório de Neutrinos IceCube (parte inferior). As cores indicam o tempo relativo em que cada sensor detectou luz, seguindo as cores do arco-íris, sendo o vermelho os horários anteriores e o azul os posteriores. Crédito:IceCube/NSF. Pesquisadores do Observatório de Neutrinos IceCube, na Antártica, encontraram sete sinais que poderiam indicar neutrinos tau – que são notoriamente difíceis de detectar – em objetos astrofísicos.
Os neutrinos são algumas das partículas mais difíceis de detectar devido à sua massa extremamente baixa e fracas interações com a matéria. Uma das razões pelas quais os cientistas estão interessados nestas partículas é a sua capacidade de viajar longas distâncias, o que significa que podem conter informações sobre processos astrofísicos e objetos que acontecem longe de nós.
A colaboração IceCube visa estudar esses neutrinos observando o rastro que eles deixam ao interagir ou atravessar o gelo nos detectores.
O presente estudo, publicado em Physical Review Letters , detalha como o IceCube observou sinais de neutrinos, sete dos quais poderiam ser o neutrino do tau.
Os pesquisadores usaram redes neurais convolucionais (CNNs) para analisar 9,7 anos de dados coletados pelo observatório no Pólo Sul. O seu principal desafio foi distinguir entre os três “sabores” dos neutrinos, todos os quais deixam sinais semelhantes.
Neutrinos de múon, elétron e tau
O neutrino vem em três variantes, ou sabores, como são conhecidos na comunidade científica:o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. São as partículas com massa mais abundantes no universo, já que 100 trilhões delas passam pelo seu corpo a cada segundo!
No entanto, como mencionado anteriormente, são notoriamente difíceis de detectar e é ainda mais difícil distinguir entre os sabores.
"Em comparação com outras partículas, isolar neutrinos é particularmente desafiador devido às suas fracas interações com a matéria. Os neutrinos de tau podem facilmente imitar os neutrinos do elétron ou do múon, os outros dois sabores conhecidos de neutrinos, então isolá-los é ainda mais desafiador, "explicou o Prof. Doug Cowen, da Penn State, para Phys.org, um dos coautores do estudo.
O Observatório de Neutrinos IceCube consiste em milhares de sensores ópticos sob o gelo espalhados por um quilômetro cúbico no Pólo Sul. Quando os neutrinos atravessam o gelo nos detectores, eles deixam dois tipos de rastros:rastros e cascatas. O Observatório de Neutrinos IceCube. Crédito:Joe Spins the Globe/YouTube. Como identificar a diferença?
As trilhas são o tipo mais comum de padrão deixado para trás quando os neutrinos do múon colidem com o gelo, e são linhas retas de fótons.
As cascatas, por outro lado, são menos comuns. Esses padrões consistem em duas manchas ou pontos brilhantes devido à interação inicial com o gelo e o subsequente atraso em um elétron ou partícula tau.
"Um neutrino de elétron forma uma segunda bola de luz tão próxima da primeira que o IceCube os detecta como uma única bola. Em contraste, um neutrino tau pode viajar cerca de 10 metros antes de decair, formando uma segunda bola de luz que o IceCube pode distinguir desde o início", disse o Prof. Cowen.
O desafio é que os padrões parecem muito semelhantes nos detectores, tornando-os difíceis de distinguir. Essa ambigüidade levou os pesquisadores a usar as CNNs para, como disse o Prof. Cowen, "lidar com a miríade de padrões que os neutrinos do tau são capazes de produzir".
CNNs e padrões
“As CNNs foram projetadas para distinguir imagens, como fotos de cães, de fotos de gatos e para fazer isso para diferentes raças, diferentes origens, diferentes iluminações e assim por diante”, explicou o Prof.
Isto tornou-os no candidato perfeito para analisar os dados recolhidos pelo Observatório de Neutrinos IceCube e identificar sinais pertencentes ao neutrino do tau.
Para treinar a rede, os pesquisadores usaram dados de simulação, que incluíam vários padrões correspondentes às interações dos neutrinos do tau e ao ruído de fundo.
Neste contexto, o ruído de fundo refere-se a sinais que poderiam ser causados por outras fontes astrofísicas, mas que imitam de perto as características do neutrino do tau.
Ao treinar CNNs em sinais de neutrinos de tau e ruído de fundo, os pesquisadores pretendiam desenvolver um modelo capaz de distinguir sinais genuínos de neutrinos de tau de outras fontes.
"Com mais de 100 milhões de parâmetros treináveis, nossas CNNs poderiam extrair todas as agulhas de neutrinos do tau do palheiro de fundos", disse o Prof.
Sete candidatos a neutrinos do tau
Os pesquisadores esperavam ver seis neutrinos do tau, mas acabaram vendo sete. Isto é uma continuação do seu trabalho de 2013, quando o IceCube identificou com sucesso centenas de neutrinos de múons e um anti-neutrino de elétrons de um buraco negro.
A sua análise confirmou que todos os sabores de neutrinos se comportaram como esperado, mesmo depois de viajarem distâncias astronómicas e a energias extremamente elevadas, com cada um dos sete tendo energia de 20 TeV ou superior. Para referência, 1 TeV equivale à energia de movimento de um mosquito voador.
"Podemos ter certeza de que nossos sete neutrinos do tau vieram de fontes astrofísicas porque as fontes de neutrinos na Terra, como a atmosfera, não podem produzir neutrinos do tau nesta escala de energia. Os sete neutrinos do tau fornecem, portanto, uma confirmação poderosa da descoberta de 2013 pelo IceCube de neutrinos astrofísicos", disse o Prof. Cowen.
O fato de todos os três sabores de neutrinos terem sido confirmados é significativo. Isso ocorre porque os neutrinos têm a capacidade de alternar entre sabores quando viajam pelo espaço, um fenômeno denominado oscilações de neutrinos.
É apenas a primeira vez que os investigadores conseguem confirmar que as oscilações dos neutrinos ocorrem a energias tão elevadas e a longas distâncias.
Embora os pesquisadores não possam dizer com 100% de certeza que os sete sinais são neutrinos do tau, eles estão confiantes em suas previsões. De acordo com a análise estatística, há uma chance em 3,5 milhões de que o sinal observado seja devido a flutuações aleatórias nos dados.
"Grosso modo, um dos nossos sete eventos tem 25% de probabilidade de ser um neutrino astrofísico do electrão ou do muão e não um neutrino do tau," acrescentou o Prof.
Reconhecimento de padrões e fontes astrofísicas
Uma das observações interessantes feitas pelos pesquisadores foi como as CNNs identificavam os padrões deixados pelos neutrinos do tau. O padrão de cascata dupla é uma assinatura dos neutrinos do tau e daquilo em que os pesquisadores pensavam que a análise sensível se basearia.
No entanto, o que eles notaram foi muito mais interessante. Embora alguns dos sete sinais tivessem esse padrão de assinatura, vários não.
"Subseqüentemente, determinamos que as CNNs haviam realmente se concentrado no padrão geral da luz produzida pelas duas bolas de luz e eram insensíveis ao padrão de sinal em sensores individuais", explicou o Prof.
Isto significa que as CNNs estavam a observar o padrão geral, incluindo os fotões vizinhos em torno dos dois pontos brilhantes.
A relevância desta descoberta estende-se até à origem dos próprios neutrinos de alta energia.
"À medida que refinamos as nossas técnicas para encontrar neutrinos do tau e determinar as suas propriedades a partir dos padrões que produzem no nosso detector, prevemos ser capazes de usar a sua capacidade de apontar para procurar fontes astrofísicas, talvez descobrindo novas ou aprimorando a nossa imagem atual de neutrinos a partir de o centro galáctico", concluiu o Prof. Cowen.
