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A detecção de uma partícula de alta energia no IceCube prova a teoria de 60 anos
O IceCube tinha visto um evento de ressonância Glashow, um fenômeno previsto pelo físico ganhador do Nobel Sheldon Glashow em 1960. Com essa detecção, os cientistas forneceram outra confirmação do Modelo Padrão da física de partículas.
Por Universidade de Wisconsin-Madison - 10/03/2021


Uma visualização do evento Glashow registrado pelo detector IceCube. Cada círculo colorido mostra um sensor IceCube que foi acionado pelo evento; círculos vermelhos indicam sensores acionados mais cedo, e círculos verde-azulados indicam sensores acionados mais tarde. Este evento foi apelidado de "Hortênsia". Crédito: Colaboração IceCube

Em 6 de dezembro de 2016, uma partícula de alta energia chamada antineutrino de elétron foi lançada para a Terra do espaço sideral próximo à velocidade da luz carregando 6,3 petaeletronvolts (PeV) de energia. No interior da camada de gelo do 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 da Antártica, o Observatório IceCube Neutrino.

O IceCube tinha visto um evento de ressonância Glashow, um fenômeno previsto pelo físico ganhador do Nobel Sheldon Glashow em 1960. Com essa 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 na revista Nature .

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 ele previu que um antineutrino (de um neutrino antimatéria twin) poderia interagir com um elétron para produzir um como-ainda não descoberta da partícula-se o antineutrino tinha apenas o direito de energia através de um processo conhecido como ressonância.

Quando a partícula proposta, o W - Higgs, foi finalmente descoberto em 1983, que acabou por ser muito mais pesado do que o que Glashow e seus colegas esperavam de volta em 1960. ressonância O Glashow exigiria um neutrino com uma 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 acelerador natural - 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.

O antineutrino de elétrons que criou o evento de ressonância Glashow percorreu uma
grande distância antes de chegar ao IceCube. Este gráfico mostra sua jornada; a
linha pontilhada azul é o caminho do antineutrino. (Sem escala.)
Crédito: Colaboração IceCube

"Quando Glashow foi um pós-doc no Niels Bohr, ele nunca poderia ter imaginado que a sua proposta não convencional para produzir o W - Higgs seria realizado por um antineutrino de uma galáxia distante colidir com gelo da Antártida", diz Francis Halzen, professor de física na University of 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 neutrino astrofísico 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 incrivelmente 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", disse Christian Haack, que era aluno 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. “Medições anteriores não foram sensíveis à diferença entre neutrinos e antineutrinos, então este resultado é a primeira medição direta de um componente antineutrino do fluxo astrofísico de neutrinos”, diz Lu Lu, um dos principais analisadores deste artigo, que foi um 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", disse Tianlu Yuan, cientista assistente do Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center e outro analisador principal. "Se pudermos determinar a proporção de neutrino para antineutrino, podemos investigar diretamente essas propriedades."

Um esquema da porção no gelo do IceCube, que inclui 86 cordas contendo 5.160 sensores
de luz dispostos em uma grade hexagonal tridimensional.
Crédito: Colaboração IceCube

Para confirmar a detecção e fazer uma medição decisiva da proporção neutrino-antineutrino, a Colaboração IceCube quer 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 professor emérito de física na Universidade de Boston, ecoa a necessidade de mais detecções de eventos de ressonância de Glashow. "Para ter certeza absoluta, devemos ver outro evento semelhante com a mesma energia que foi visto", diz ele. "Até agora há um, e algum dia haverá mais."

Por último, mas não menos importante, o resultado demonstra o valor da colaboração internacional. O IceCube é operado por mais de 400 cientistas, engenheiros e funcionários de 53 instituições em 12 países, conhecidos como Colaboração IceCube. Os principais analisadores neste documento trabalharam juntos na 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", disse Olga Botner, professora de física da Universidade de Uppsala 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 mais alta energia , sua fonte potencial em blazares e sua capacidade de auxiliar na astrofísica multimensageira", diz Vladimir Papitashvili , oficial de programa no Office of Polar Programs da National Science Foundation, principal financiador do IceCube. James Whitmore, oficial de programa da Divisão de Física da NSF, acrescenta: "Agora, o IceCube surpreende os cientistas com uma rica fonte de novos tesouros que mesmo os teóricos não esperavam encontrar tão cedo."

 

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