Busca do IceCube por neutrinos de explosões de raios gama

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Representação artística de raios cósmicos atingindo a atmosfera da Terra e criando uma chuva secundária de partículas. Artigo recente examina a fonte dos raios cósmicos de altíssima energia. [NSF/J. Yang]

Artigo traduzido de AAS Nova. Autor: Susanna Kohler.

Em um quilômetro cúbico de volume de gelo sob a Antártida, um observatório chamado IceCube está fazendo medições que podem nos ajudar a determinar a fonte dos raios cósmicos de altíssima energia (UHECRs) que ocasionalmente observamos aqui da Terra. Um estudo recente relata seus últimos resultados.

Bolas de beisebol atômicas

Os raios cósmicos são radiação de alta energia compostos principalmente de prótons e núcleos atômicos. Quando estas partículas carregadas e extremamente energéticas impactam na atmosfera da Terra em sua jornada através do espaço, eles geram uma chuva de partículas secundárias que, em seguida, são detectadas.

A UHECR é qualquer partícula de raios cósmicos com uma energia cinética superior a 1018 eV – e algumas foram detectadas com energias superiores a 1020 eV! Em termos práticos, este é um núcleo atômico com a mesma energia cinética como uma bola de beisebol viajando a quase 100 km/h. Estas partículas incrivelmente energéticas são muito raras, mas nós as observamos ao longo de décadas. No entanto, apesar disto, a fonte das UHECRs é desconhecida.

Ilustração de uma explosão de raios gama em uma região de formação estelar. Esses fenomenos poderiam estar acelerado as UHECRs às suas enormes energias? [NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones]
Ilustração de uma explosão de raios gama em uma região de formação estelar. Esses fenomenos poderiam estar acelerado as UHECRs às suas enormes energias? [NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones]

Bolas de fogo de explosões de raios gama

Uma fonte sugere que o que poderia acelerar partículas a estas energias é uma explosão de raios gama (GRB). Em alguns modelos de GRBs, a explosão é visualizada como uma bola de fogo de elétrons, fótons e prótons relativisticamente em expansão. As frentes de choque internas aceleram elétrons e prótons dentro da bola de fogo, gerando UHECRs, raios gama e neutrinos no processo.

Pelo fato das partículas de raios cósmicos carregadas serem facilmente desviadas enquanto viajam, é difícil identificar de onde vieram. Neutrinos e fótons, por outro lado, viajam em grande parte não defletidos através do Universo. Como resultado, se detectarmos neutrinos de alta energia correlacionados com fótons de raios gama de uma GRB, isso daria um forte apoio para os modelos de bola de fogo GRB para a produção UHECR.

O Ice Cube é um observatório de neutrinos, cujas detectores estão enterrados abaixo da superfície da Antártida. (Photo by Emanuel Jacobi da National Science Foundation).
O Ice Cube é um observatório de neutrinos, cujas detectores estão enterrados abaixo da superfície da Antártida. (Photo by Emanuel Jacobi da National Science Foundation).

Posicionado sob o gelo

Como podemos procurar esses neutrinos? Conheça o IceCube, um observatório de neutrinos que consiste de um quilômetro cúbico de detectores que encontram-se sob o gelo antártico. Este observatório foi projetado para detectar os subprodutos das interações raras que neutrinos que atravessam a Terra podem ter com as moléculas de água no gelo.

Em um estudo recentemente publicado pela colaboração IceCube, a equipe realizou uma busca de três anos por neutrinos que foram correlacionados com os locais e os horários de mais de 800 GRBs conhecidas durante esse período.

Três modelos diferentes de bola de fogo de GRBs e o fluxo de neutrinos previsto a partir de cada um. Os neutrinos potencialmente detectáveis pelo IceCube são mostrados com segmentos sólidos. As detecções do IceCube (e falta delas) colocam novas restrições sobre estes modelos. [Aartsen et ai. de 2016]
Três modelos diferentes de bola de fogo de GRBs e o fluxo de neutrinos previsto a partir de cada um. Os neutrinos potencialmente detectáveis pelo IceCube são mostrados com segmentos sólidos. As detecções do IceCube (e falta delas) colocam novas restrições sobre estes modelos. [Aartsen et ai. de 2016]

Novas restrições

Em três anos de dados, a colaboração relata a detecção de cinco eventos de baixa significância correlacionados com cinco GRBs. Mas esses eventos também são consistentes com o plano de fundo de partículas carregadas geradas na atmosfera da Terra. O que isto significa? Estas detecções podem indicar um pequeno número de neutrinos reais gerados por GRBs – ou poderiam ser apenas o ruído de fundo.

De qualquer forma, estes resultados do IceCube fornecem um novo limite máximo para a associação de neutrinos com explosões de raios gama. Isso restringe quais mecanismos de produção são possíveis, eliminando alguns modelos da aceleração UHECR pela bolas de fogo da GRB.

O que vem por aí? A colaboração indica que a próxima geração, o detector IceCube-Gen2, planejado para o futuro, será ainda mais sensível – o que vai ser o resultar em detecção de eventos de neutrinos mais sutis associados com GRBs, ou desfavorecer os GRBs como o mecanismo de produção de UHECRs.

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