IceCube detecta neutrinos tau energéticos pela primeira vez

Cerca de um bilião de partículas minúsculas, chamadas neutrinos, atravessam o seu corpo a cada segundo. Gerados durante o Big Bang, estes neutrinos «relíquia» estão presentes em todo o universo, mas não lhe causam qualquer dano. Na realidade, é provável que apenas um deles toque ligeiramente num átomo do seu corpo ao longo de toda a sua vida.

A maioria dos neutrinos emitidos por objectos como buracos negros possui muito mais energia do que os neutrinos relíquia que vagueiam pelo espaço. Embora sejam muito mais raros, estes neutrinos energéticos têm maior probabilidade de colidir com algo e produzir um sinal que físicos como eu conseguem detectar. Porém, detectá-los obrigou os físicos de neutrinos a construir experiências de dimensões enormes.

O IceCube, uma dessas experiências, registou um tipo particularmente invulgar de neutrino astrofísico extremamente energético num estudo publicado em Abril de 2024. Estes neutrinos energéticos confundem-se frequentemente com outros tipos de neutrinos mais comuns. Pela primeira vez, porém, os meus colegas e eu conseguimos identificá-los, isolando alguns em quase 10 anos de dados.

A sua existência aproxima investigadores como eu de decifrarem o mistério de como são, afinal, produzidas partículas de energia muito elevada, como os neutrinos astrofísicos.

Observatório IceCube

O Observatório de Neutrinos IceCube é o gigante das grandes experiências com neutrinos. Há mais de uma década, os seus cerca de 5.000 sensores observam atentamente uma gigatonelada de gelo sob o Pólo Sul. Quando um neutrino colide com um átomo no gelo, gera uma esfera de luz que é registada pelos sensores.

O IceCube já detectou neutrinos produzidos em vários locais, incluindo a atmosfera terrestre, o centro da galáxia Via Láctea e buracos negros situados noutras galáxias, a muitos anos-luz de distância.

Mas o neutrino tau, uma variedade de neutrino especialmente energética, escapara ao IceCube - até agora.

Sabores dos neutrinos

Os neutrinos apresentam-se em três tipos distintos, que os físicos designam por sabores. Cada sabor deixa uma marca própria num detector como o IceCube.

Quando um neutrino embate noutra partícula, geralmente produz uma partícula carregada correspondente ao seu sabor. Um neutrino muónico produz um muão, um neutrino electrónico produz um electrão e um neutrino tau produz um tau.

Os neutrinos de sabor muónico têm a assinatura mais característica, pelo que os meus colegas da colaboração IceCube e eu começámos naturalmente por procurar esses. O muão libertado numa colisão de um neutrino muónico atravessa centenas de metros de gelo, deixando um longo rasto de luz detectável antes de se desintegrar. Esse rasto permite aos investigadores determinar a origem do neutrino.

Em seguida, a equipa procurou neutrinos electrónicos, cujas interacções originam uma esfera de luz aproximadamente esférica. O electrão criado numa colisão de um neutrino electrónico nunca se desintegra e embate em todas as partículas de gelo que encontra nas proximidades. Antes de o electrão finalmente parar, esta interacção deixa atrás de si uma esfera de luz em expansão.

Como é muito difícil determinar visualmente a direcção de um neutrino electrónico, os físicos do IceCube recorreram a técnicas de aprendizagem automática para apontar para os locais onde esses neutrinos poderão ter sido criados. Estas técnicas usam recursos computacionais sofisticados e ajustam milhões de parâmetros para separar os sinais de neutrinos de todos os fundos conhecidos.

O terceiro sabor, o neutrino tau, é o camaleão do trio. Um neutrino tau pode manifestar-se como um rasto de luz, enquanto o seguinte pode surgir como uma esfera. A partícula tau criada na colisão desloca-se durante uma fracção ínfima de segundo antes de se desintegrar e, quando isso acontece, produz normalmente uma esfera de luz.

Estes neutrinos tau criam duas esferas luminosas: uma no local onde colidem inicialmente com algo e produzem um tau, e outra quando o próprio tau se desintegra. Na maior parte das situações, a partícula tau desintegra-se depois de percorrer uma distância muito curta, pelo que as duas esferas de luz se sobrepõem tanto que não se distinguem de uma única esfera.

Contudo, a energias mais elevadas, a partícula tau emitida pode deslocar-se dezenas de metros, formando duas esferas de luz separadas. Munidos destas técnicas de aprendizagem automática, os físicos conseguem encontrar a agulha no palheiro.

Quando os neutrinos atravessam o IceCube, uma pequena fracção interage com átomos no gelo e produz luz, que é registada pelos sensores. No vídeo, as esferas representam sensores individuais, sendo o tamanho de cada uma proporcional à quantidade de luz detectada. As cores mostram o tempo relativo de chegada da luz segundo as cores do arco-íris: o vermelho chega primeiro e o violeta por último.

Neutrinos tau energéticos

Com estas ferramentas computacionais, a equipa conseguiu extrair sete candidatos fortes a neutrinos tau de cerca de 10 anos de dados. Estes taus tinham energias superiores às dos mais potentes aceleradores de partículas da Terra, o que significa que têm de provir de fontes astrofísicas, como buracos negros.

Estes dados confirmam a anterior descoberta do IceCube de neutrinos astrofísicos e confirmam também um indício anteriormente detectado pelo IceCube sobre neutrinos tau astrofísicos.

Os resultados sugerem ainda que, mesmo às energias mais elevadas e ao longo de distâncias imensas, os neutrinos comportam-se de forma muito semelhante à que apresentam a energias inferiores.

Em particular, a detecção de neutrinos tau astrofísicos confirma que os neutrinos energéticos provenientes de fontes distantes mudam de sabor, ou oscilam. Neutrinos de energia muito mais baixa, que percorrem distâncias bem menores, oscilam da mesma forma.

À medida que o IceCube e outras experiências de neutrinos recolherem mais dados, e que os cientistas melhorarem a distinção entre os três sabores de neutrinos, os investigadores poderão acabar por inferir como são produzidos os neutrinos provenientes de buracos negros. Queremos também descobrir se o espaço entre a Terra e estes distantes aceleradores astrofísicos de neutrinos trata as partículas de maneira diferente consoante a sua massa.

Haverá sempre menos neutrinos tau energéticos - e dos seus parentes muónicos e electrónicos - do que os neutrinos mais comuns oriundos do Big Bang. Ainda assim, existem em número suficiente para ajudar cientistas como eu a procurar os emissores de neutrinos mais poderosos do universo e a estudar o espaço ilimitado que os separa.

Doug Cowen, Professor de Física e Professor de Astronomia e Astrofísica, Penn State

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.