Los astrónomos que utilizan el observatorio IceCube, enterrado profundamente en el hielo del Polo Sur, han detectado siete candidatas a «partículas fantasma» esquivas y exóticas a su paso por 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.
Los neutrinos son partículas sin carga y casi sin masa que viajan por el cosmos a velocidades cercanas a la de la luz. Curiosamente, debido a estos 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 un detector de neutrinos de tamaño humano, tendrías que esperar unos 100 años para que un neutrino interactúe con una partícula de tu cuerpo. Por eso es cierto que a los neutrinos se les denomina “partículas fantasma”.
Los neutrinos de alta energía de fuentes cósmicas en el borde de la Vía Láctea se llaman «neutrinos astrofísicos» y vienen en tres sabores o generaciones: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Todas estas partículas fantasma son increíblemente esquivas, como era de esperar, pero atraparlas 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 pequeña cantidad de fondo esperado, nos permite decir que es muy poco probable que los fondos conspiren para producir siete impostores de neutrinos tau», Doug Cowen, coautor de El estudio. líder y profesor de física en la Universidad Penn State dijo en un comunicado. «El descubrimiento de los neutrinos astrofísicos tau 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 orbes dorados llamados módulos ópticos digitales, o DOM, incrustados en el 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 cuando atraviesan el hielo; el DOM registra esta luz.
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 detectar pistas tentadoras sobre estas firmas de neutrinos tau, pero Cowen y sus colegas realmente querían identificar las partículas esquivas.
IceCube puede detectar otros tipos de neutrinos “en tiempo real”, pero actualmente la instalación no puede hacerlo con los neutrinos tau. Más bien, la búsqueda de estos fantasmas cósmicos en particular requiere revisar una década de datos de archivo. Pero en lugar de unirse a una pandilla de Scooby-Doo y perseguir a esos fantasmas ellos mismos, el equipo entrenó lo que se llama «redes neuronales convolucionales optimizadas para la clasificación de imágenes» para llegar a los tamices a través de casi 10 años de datos de IceCube recopilados entre 2011 y 2020 para rastrear los firmas de neutrinos tau.
Esto resultó en la detección de siete fuertes candidatos a neutrinos tau.
El equipo se reserva la posibilidad de que estas detecciones sean producto de un error de identificación, pero Cowen explicó que la probabilidad de que el fondo detectado por el DOM imite esta señal es de sólo 1 entre 3,5 millones.
Los hallazgos actuales utilizaron solo tres cadenas de detectores DOM, pero los análisis futuros se basarán más en estas cuentas doradas heladas. Esto no solo aumentará la muestra de neutrinos tau detectada, sino que también podría ayudar a los científicos a realizar el primer estudio de tres generaciones de oscilaciones de neutrinos. Este es el fenómeno por el cual los neutrinos cambian de sabor a medida que recorren grandes distancias cosmológicas.
Comprender las oscilaciones de los neutrinos podría ser la clave para determinar cómo se generan estas partículas fantasma, qué eventos las desencadenaron en el espacio en primer lugar y por qué pasan a las generaciones posteriores con el tiempo.
«En general, este apasionante descubrimiento conlleva la fascinante 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 examen físico.
