&bala; Física 18, 35
Um novo experimento subaquático de neutrinos-pois agora, apenas parcialmente instalado-detectou o que parece ser o neutrino cósmico de maior energia observado até o momento.
Às vezes, o que você procura chega quando você menos espera. Esse parece ser o caso do telescópio de neutrino de quilômetros cúbicos (KM3NET), uma variedade de fotodetectores no chão do Mar Mediterrâneo. Hoje, a equipe por trás do KM3NET relata a medição de um sinal proveniente de um neutrino com uma energia de 220 Volts de elétron (PEV), uma energia 30 vezes mais do que o recorde anterior para a maior energia de neutrinos medida (1). Este evento raro foi capturado enquanto o experimento teve apenas 10% de seus detectores. A medição pode ter grandes implicações para a nossa compreensão da aceleração de partículas no universo.
“Detectamos de longe o neutrino mais enérgico já gravado até agora”, disse o porta -voz da KM3NET Paschal Coyle do centro da física de partículas de Marselha, França. “Este neutrino é muito provável de origem cósmica.” Ele e outros membros da colaboração KM3NET apresentaram seus resultados em um briefing de imprensa on -line.
A detecção de neutrinos, sem dúvida, fará um respingo no campo da astrofísica. Os neutrinos de alta energia provavelmente são criados ao lado de raios cósmicos de alta energia, cujas fontes continuam sendo um mistério. A vantagem de observar os neutrinos é que eles não são desviados em sua jornada cósmica para a Terra, portanto, medir sua direção de chegada deve revelar sua origem. Ao descrever a motivação do KM3NET, Aart Heijboer, do Instituto Nacional de Física Subatômica, disse: “Isso faz parte de tentar entender os processos de maior energia do universo”.
O experimento KM3NET compreende duas matrizes detectores – Arca, que fica na costa da Itália a uma profundidade de 3450 m, e orca, que fica na costa da França a uma profundidade de 2450 m. Cada matriz consiste em uma coleção de linhas de detecção verticais que estão ancoradas no fundo do mar e espaçadas em um padrão de grade. Atualmente, cerca de 50 das 345 linhas de detecção planejadas foram instaladas. Ao longo de cada linha de detecção, encontra-se 18 módulos de sensor óptico esféricos que registram flashes de luz produzidos por partículas de alta energia disparando através da água do mar preto. Os próprios neutrinos não produzem flashes – eles colidem com átomos, criando partículas secundárias que produzem luz que os sensores podem detectar.
CNRS/n. Busser
O evento de energia ultra-alta, denominada KM3-230213a, ocorreu no native da ARCA italiana durante uma campanha de medição preliminar na qual 21 linhas de detecção estavam em operação. Nas primeiras horas de 13 de fevereiro de 2023, a matriz do detector pegou o sinal de uma partícula de alta energia-identificada como um muon-limpando a matriz em questão de alguns microssegundos. O que se destacou nesse evento foi o quão brilhante foi. Aproximadamente um terço dos sensores Arca registrou fótons. A partir daquela exibição de fogos de artifício, a colaboração KM3NET calculou a energia do Muon em torno de 120 pev, ou 1,2 × 1017 EV, de longe o evento mais enérgico que o KM3NET viu.
Outro aspecto único foi a direção da partícula. O KM3Net constantemente detecta os MUONS – a maioria dos quais chove da atmosfera superior quando os raios cósmicos atingem a Terra. No entanto, o KM3-230213A Muon não se encaixava na conta de um muon de raios cósmicos. Ele veio do oeste, em um ângulo muito próximo ao do horizonte. Essa direção horizontal implica que esse muon foi criado por um neutrino colidindo com um átomo no mar profundo ao redor do detector. “Quando você olha para a direção e olha para a energia, a única explicação actual é que um neutrino fez o evento”, disse Coyle.
A energia desse neutrino não pode ser medida diretamente, mas deve ter sido maior que a do muon que produziu. De seus modelos, os pesquisadores estimam que a energia dos neutrinos foi de 220 pev, que é 30.000 vezes a energia que os físicos podem obter em seus mais poderosos aceleradores de partículas. Heijboer observou que esse único neutrino carregava a energia equivalente a uma bola de pingue-pongue caindo de um metro de altura.
KM3NET
“Este é claramente um evento interessante. Também é muito incomum ”, disse Ignacio Taboada, físico do Instituto de Tecnologia da Geórgia e porta -voz do experimento Icecube na Antártica. O IceCube, que possui um design de abordagem de detector semelhante ao KM3NET, mas está envolto em gelo em vez de água, detectou neutrinos com energias tão altas quanto 10 pev, mas nada na faixa de 100 pev. “O IceCube trabalha há 14 anos, por isso é estranho que não vemos a mesma coisa”, disse Taboada. O taboada não está envolvido no experimento KM3NET.
A equipe do KM3NET está ciente dessa estranheza. Eles compararam o evento KM3-230213A com os limites superiores do fluxo de neutrinos dado pelo Icecube e pelo experimento de raios cósmicos Pierre Auger na Argentina. Tomando esses limites conforme concedido, eles descobriram que havia 1% de likelihood de detectar um neutrino de 220 Pev durante a campanha de medição preliminar (287 dias) da KM3NET. “Não é louco”, disse Heijboer. “Um por cento dos efeitos acontecem.”
Essa avaliação foi ecoada por David Saltzberg, um especialista em neutrinos da UCLA que não está envolvido com o KM3NET. “Acontece de tempos em tempos que se vê um evento tão notável no início da vida de um experimento, e o fluxo inicialmente parece anômalo”, disse ele. Se observações futuras não verem eventos semelhantes de alta energia, pode ser que o evento KM3-230213A fosse um acaso estatístico, explicou Saltzberg. Mas é possível que este evento seja a primeira indicação de um fluxo mais alto do que o esperado. “O tempo dirá”, disse ele.
Se mais neutrinos de alta energia forem detectados, ele poderá oferecer novas idéias sobre aceleradores de alta potência em nosso universo. Espera-se que os neutrinos de alta energia sejam feitos no processo de aceleração dos raios cósmicos. Nesse cenário, o KM3-230213A neutrino pode ser um mensageiro de longa distância de uma fonte de raios cósmicos, como uma explosão de supernova ou uma explosão de raios gama. Os pesquisadores do KM3NET procuraram o céu em torno da direção de chegada do KM3-230213A neutrino e não encontraram sinais de supernovas em nossa galáxia. Mas eles encontraram possíveis fontes extragaláticas: doze blazares (núcleos brilhantes de galáxias ativos) foram encontradas nas proximidades da direção do neutrino. Análises adicionais podem identificar o candidato mais provável, explicou Rosa Coniglione, membro da equipe do KM3NET, do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália.
Pode haver outra explicação, no entanto. Os raios cósmicos de alta energia que atravessam o universo devem ocasionalmente interagir com fótons do fundo cósmico de microondas. Prevê-se que essas interações produzam uma população de neutrinos de alta energia chamada neutrinos cosmogênicos, que devem ter energias que se estendem da faixa PETA-EV (1015 Ev) na faixa exa-EV (1018 EV e acima). Saltzberg disse que os neutrinos cosmogênicos são “garantidos” para estar lá fora, mas sua abundância é desconhecida por causa de incertezas sobre raios cósmicos. “Este fluxo garantido tem sido um santo graal de astronomia de neutrinos há muito tempo”, disse ele. Se o KM3-230213A for um neutrino cosmogênico e outros como são observados, esses eventos poderiam revelar quando as fontes de raios cósmicos mais altos de energia se ligaram, disse Saltzberg.
–Michael Schirber
Michael Schirber é um editor correspondente para Revista de Física Sediada em Lyon, França.
Referências
- A colaboração do KM3NET, “Observação de um neutrino cósmico ultra-alto com KM3NET”. Natureza 638376 (2025).
