Los astrónomos que utilizan el observatorio IceCube, que está enterrado profundamente en el hielo del polo sur, han detectado siete candidatas esquivas y exóticas a “partículas fantasma” a medida que avanzaban a través de la Tierra. Las señales sugieren que estas partículas son neutrinos tau astrofísicos; Actúan como importantes mensajeros entre eventos celestiales poderosos y de alta energía y nosotros.
Neutrinos son partículas sin carga y casi sin masa que atraviesan el cosmos a velocidades cercanas a la de la luz. Por extraño que parezca, debido a esos parámetros, los neutrinos apenas interactúan con nada. De hecho, alrededor de 100 billones de ellos pasan por nuestro cuerpo cada segundo. Simplemente no podemos decirlo. Si fueras de tamaño humano detector de neutrinos, habría que esperar unos 100 años para que un neutrino interactúe con una partícula de nuestro cuerpo. No en vano los neutrinos reciben el sobrenombre de “partículas fantasma”.
Los neutrinos de alta energía procedentes de fuentes cósmicas en el borde de la Vía Láctea se denominan “neutrinos astrofísicos,” y vienen en tres sabores, o generaciones: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Todas estas partículas fantasmas son increíblemente esquivas, como es de esperar, pero identificarlas es la misión de IceCube. En 2013, el observatorio hizo su primera detección de neutrinos astrofísicos, y ahora parece haber detectado neutrinos tau astrofísicos en particular, que podrían servir como un tipo completamente nuevo de mensajero cósmico.
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“La detección de siete eventos candidatos de neutrinos tau en los datos, combinada con la muy baja cantidad de antecedentes esperados, nos permite afirmar que es muy poco probable que los antecedentes conspiren para producir siete impostores de neutrinos tau”, dijo Doug Cowen, coautor del estudio. líder y profesor de física en la Universidad Penn State dijo en un comunicado. “El descubrimiento de los neutrinos tau astrofísicos también proporciona una fuerte confirmación del descubrimiento anterior de IceCube del flujo astrofísico difuso de neutrinos”.
Atrapado bajo el hielo
Para detectar neutrinos a su paso por la Tierra, IceCube utiliza cadenas de globos dorados llamados módulos ópticos digitales, o DOM, incrustados en hielo. En total, el observatorio tiene 5.160 DOM enterrados profundamente en el hielo antártico, esperando a que los neutrinos interactúen con las moléculas del hielo y produzcan partículas cargadas. Estas partículas cargadas emiten luz azul a medida que viajan a través del hielo; los DOM registran esta luz.
Más específicamente, cuando los neutrinos tau astrofísicos de alta energía interactúan con las moléculas, crean emisiones de luz características, incluido un evento distintivo de doble cascada que produce dos picos en los niveles de luz detectados por los DOM.
En el pasado, IceCube logró captar indicios tentadores de esas firmas de tau-neutrinos, pero Cowen y sus colegas querían identificar realmente las partículas esquivas.
IceCube puede detectar otros tipos de neutrinos en “tiempo real”, pero la instalación actualmente no puede hacer esto para los neutrinos tau. Más bien, cazar estos fantasmas cósmicos particulares requiere estudiar minuciosamente una década de datos de archivo. Pero en lugar de hacer la pandilla de Scooby-Doo y cazar a estos fantasmas ellos mismos, el equipo entrenó lo que se conoce como “redes neuronales convolucionales optimizadas para clasificación de imágenes” para examinar casi 10 años de datos de IceCube recopilados entre 2011 y 2020 para buscar los firmas de tau-neutrinos.
Esto resultó en siete fuertes detecciones de candidatos a neutrinos tau.
El equipo se reserva la posibilidad de que estas detecciones sean producto de una identificación errónea, pero Cowen explicó que la posibilidad de que el fondo detectado por DOM imite esta señal es solo de 1 entre 3,5 millones.
Los hallazgos actuales sólo utilizaron tres cadenas de detectores DOM, pero los análisis futuros se basarán en más de estas perlas doradas y heladas. Esto no sólo aumentará la muestra de neutrinos tau detectados, sino que también podría ayudar a los científicos a realizar el primer estudio de tres generaciones de la historia. oscilaciones de neutrinos. Este es el fenómeno por el cual los neutrinos cambian de sabor a medida que viajan por vastos distancias cosmológicas.
Comprender las oscilaciones de los neutrinos podría ser la clave para determinar cómo se generan estas partículas fantasma, qué eventos las hicieron viajar por el espacio en primer lugar y la razón detrás de por qué pasan a las siguientes generaciones con el tiempo.
“En definitiva, este apasionante descubrimiento conlleva la intrigante posibilidad de aprovechar los neutrinos tau para descubrir nueva física”, concluyó Cowen.
La investigación del equipo aparece en el repositorio de artículos arXiv y ha sido aceptada para su publicación en la revista. Cartas de revisión física.