Mistério cósmico se aprofunda com a descoberta de um novo neutrino de altíssima energia

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Um display do caso do IceCube mostrando o mais recente "evento mais enérgico". Cada círculo aberto é um módulo óptico que não foi atingido; as esferas cheias mostram os módulos atingidos, com o raio indicando o número de fótons detectados. As cores indicam o tempo relativo (vermelho primeiro, em seguida alaranjado, amarelo, verde e azul), mas com a escala escolhida, o momento não é tão necessário. Crédito da imagem: Leif Radel.

Artigo traduzido de Phys.org. Autor: Kate Greene.

Evidência de um quarto de neutrino de altíssima energia – o neutrino com a mais alta energia até agora – foi detectada pelo experimento IceCube no Polo Sul, um projeto que pesquisadores do Berkeley Lab ajudaram a construir e ao qual atualmente contribuem com análises.

O caso foi identificado por pesquisadores da Universidade Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen na Alemanha como parte da nova busca de neutrinos astrofísicos do múon. O principal objetivo dos pesquisadores com a análise era confirmar as medições anteriores do IceCube de outros neutrinos astrofísicos. O novo neutrino de altíssima energia foi um bônus inesperado.

Os cientistas esperavam que neutrinos de altíssima energia poderiam apontar para fontes de raios cósmicos de altíssima energia – buracos negros supermassivos nos centros das galáxias ou explosões de estrelas hipernovas, por exemplo. Mas essa recém descoberta do neutrino, diz Spencer Klein do Berkeley Lab, apenas “aprofunda o mistério” das origens dos raios cósmicos.

O novo neutrino foi encontrado graças a um rastro de múons observado por um conjunto de 5160 detectores óticos, usando eletrônicos projetados e construídos por cientistas e engenheiros do Berkeley Lab. Os múons são parentes pesados dos elétrons e são emitidos quando um tipo de neutrino chamado neutrino do múon interage com um núcleo atômico. O múon recentemente detectado tinha uma energia tão alta – cerca de 2600 trilhões de elétron-volts – que só poderia ter sido produzida por um neutrino de altíssima energia. A trilha do múon tinha vários quilômetros de comprimento, muito longo para IceCube ter capturado todo o rastro. Isto significa que a energia real do neutrino era provavelmente várias vezes mais elevada do que foi visto no detector.

Do mesmo modo que um múon pode levar os cientistas a um neutrino, um neutrino pode apontar para a origem dos raios cósmicos. Os raios cósmicos são partículas carregadas que suspeita-se vir de fontes de altíssima energia fora da galáxia. Mas por serem partículas carregadas, eles chegam a Terra só depois de passar por caminhos tortuosos e caóticos que circundam as linhas dos campos magnéticos no espaço.

Acredita-se que os neutrinos de altíssima energia venham das mesmas fontes que os raios cósmicos, mas diferem por serem neutros, e, portanto, viajam em linhas retas. Então, se você identificar a direção de um neutrino, por esse raciocínio, basta olhar na direção oposta e você pode ver uma fonte de raios cósmicos.

Mas nos últimos anos, os instrumentos apontados para as fontes suspeitas dos neutrinos não revelou qualquer candidatos da origem. Na verdade, quando os instrumentos foram apontados para o céu, na direção de onde veio esses neutrinos, nenhum fenômeno de alta energia foi encontrado. Assim, alguns teóricos conceberam modelos que propõem que os neutrinos de altíssima energia na verdade são o que sobrou do nascimento do universo ou que o espaço talvez não seja simétrico da forma que os físicos pensavam.

Ao mesmo tempo, uma análise recente dos dados anteriores do IceCube feita por Gary Binder, um estudante de graduação do Nuclear Science Division que trabalha com Klein, sugere que as fontes de raios cósmicos mais convencionais, tais como buracos negros supermassivos, ainda são as mais prováveis.

A questão das origens dos neutrinos de altíssima energia e raios cósmicos está longe de ser resolvida, diz Klein, e este novo neutrino ainda não lança luz sobre o problema. “Um monte de pessoas no IceCube, incluindo eu, passarão uma boa quantidade de tempo tentando descobrir o que isso significa”, diz Klein. “Nós simplesmente não sabemos ainda”.

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