IceCube descarta a última explicação do Modelo Padrão dos eventos anômalos de neutrinos da ANITA

O Laboratório IceCube no Polo Sul Imagem: Martin Wolf, IceCube / NSF

O Observatório IceCube Neutrino é possivelmente o telescópio mais estranho da Terra. De sua casa no Pólo Sul, ele fica e espera que partículas fundamentais chamadas neutrinos passem por seus 5.160 detectores ópticos enterrados no gelo. Quando um neutrino interage com um átomo de hidrogênio ou oxigênio no gelo, produz um sinal que o IceCube pode detectar.

Mas o IceCube não é o único experimento de neutrinos na Antártica. Há também o experimento ANITA (a Antena Impulsiva Transiente Antártica), que voa com um balão sobre o continente e aponta antenas de rádio em direção ao solo. A ANITA procura ondas de rádio porque os neutrinos de energia extremamente alta - centenas de vezes mais energéticos do que os que o IceCube normalmente detecta - podem produzir sinais de rádio intensos quando se chocam contra um átomo no gelo.

Nos vôos de balão, a ANITA alegou ter detectado alguns eventos que parecem ser sinais desses neutrinos de energia extremamente alta, por isso a IceCube Collaboration decidiu investigar. Em um artigo enviado hoje ao The Astrophysical Journal , eles descrevem sua busca por uma intensa fonte de neutrinos na direção dos eventos detectados pela ANITA. A colaboração descobriu que esses neutrinos não poderiam ter vindo de uma fonte pontual intensa. Outras explicações para os sinais anômalos - possivelmente envolvendo física exótica - precisam ser consideradas.

Usando os limites definidos nesta pesquisa (azul), os pesquisadores do IceCube restringiram o número de neutrinos que poderiam passar pelo IceCube sem serem detectados (curva roxa). Eles descobriram que o limite no fluxo correspondente a esse número (triângulo roxo) estava bem abaixo do necessário para explicar as observações da ANITA (hexágono preto). Crédito: IceCube Collaboration

Quando a ANITA relatou sinais que pareciam neutrinos de energia extremamente alta, os físicos ficaram intrigados. Esses neutrinos chegaram a um ângulo que sugeria que eles haviam acabado de viajar pela maior parte do planeta, o que não é esperado para os neutrinos nessas energias.

"Costuma-se dizer que os neutrinos são partículas 'ilusórias' ou 'fantasmagóricas' por causa de sua capacidade notável de passar através do material sem esmagar algo", diz Alex Pizzuto, da Universidade de Wisconsin-Madison, um dos líderes deste artigo. "Mas nessas energias incríveis, os neutrinos são como touros em uma loja de porcelana - eles se tornam muito mais propensos a interagir com partículas na Terra."

Muitos cientistas descobriram explicações em potencial para esses sinais estranhos, e uma possibilidade é que uma fonte de neutrino realmente intensa os tenha produzido. Afinal, se uma fonte produziu um grande número de neutrinos, é mais plausível que um ou dois tenham chegado à ANITA.

Então, Pizzuto e seus colaboradores decidiram ver se havia uma fonte intensa de neutrinos disparando um feixe de neutrinos em direção à Terra - uma fonte pontual. Para fazer isso, os pesquisadores coletaram oito anos de dados do IceCube e procuraram correlações entre os locais dos eventos ANITA e os locais dos eventos IceCube.

Como os pesquisadores não sabiam quanto tempo uma fonte potencial de pontos poderia estar emitindo neutrinos, suas análises usaram três abordagens diferentes e complementares, equipadas para encontrar coincidências em diferentes escalas de tempo. Suas análises também tiveram que explicar a incerteza nas direções dos eventos da ANITA, porque os eventos não têm posições definidas no céu.

Depois de enfrentarem esses desafios, os pesquisadores simularam neutrinos passando pela Terra para ver quantos neutrinos incidentes seriam necessários para a ANITA ver um evento e, em seguida, fizeram o mesmo no IceCube.

Nas três pesquisas, eles não encontraram evidências de uma fonte de neutrinos na direção dos estranhos eventos da ANITA. Isso é particularmente intrigante porque, devido a um processo chamado regeneração de tau neutrino , os eventos de energia extremamente alta que não chegam até o ANITA ainda devem ser detectados pelo IceCube.

“Esse processo faz do IceCube uma ferramenta notável para acompanhar as observações da ANITA, porque para cada evento anômalo que a ANITA detecta, o IceCube deveria ter detectado muitos, muitos mais - o que, nesses casos, não detectamos”, diz Anastasia Barbano, do Universidade de Genebra, na Suíça, outra liderança neste artigo. "Isso significa que podemos descartar a idéia de que esses eventos vieram de alguma fonte intensa de pontos, porque as chances de a ANITA ver um evento e o IceCube não ver nada são tão pequenas".

Quando os eventos de ANITA foram detectados, as principais hipóteses eram uma explicação astrofísica (como uma fonte intensa de neutrinos), um erro sistemático (como não levar em conta algo no detector) ou física além do modelo padrão. "Nossa análise descartou a única explicação astrofísica restante do Modelo Padrão dos eventos anômalos da ANITA", diz Pizzuto. "Então, agora, se esses eventos são reais e não apenas devido a esquisitices no detector, eles podem estar apontando para a física além do modelo padrão".

Ibrahim Safa, da UW – Madison, outro líder deste artigo, diz que, embora tenha sido um momento emocionante para os físicos que tentam explicar esses eventos, “parece que teremos que esperar pela próxima geração de experimentos, o que aumentará exposição e sensibilidade, para obter uma compreensão clara dessa anomalia. "

+info “Uma busca por eventos do IceCube na direção dos candidatos a neutrinos da ANITA”, A colaboração no IceCube: MG Aartsen et al. Submetido ao The Astrophysical Journal arxiv.org/abs/2001.01737

Fonte - IceCube - South Pole Neutrino Observatory

Mapeando o Universo com IceCube

Um anúncio das recentes descobertas astrofísicas de vários conferencistas lideradas pelo IceCube Neutrino Observatory da National Science Foundation no Polo Sul. Hospedado pelo diretor da NSF France Córdova,  apresenta astrofísicos de todo o mundo explicando como eles rastrearam um neutrino até sua fonte original - uma galáxia a quatro bilhões de anos-luz da Terra.
Conferencistas:
Francis Halzen, pesquisador principal do IceCube, Universidade de Wisconsin-Madison
Regina Caputo, coordenadora de análise Fermi-LAT, Universidade de Maryland / NASA Goddard Space Flight Center
Razmik Mirzoyan, porta-voz da MAGIC, Instituto Max Planck de Física

Olga Botner, ex-porta-voz do IceCube, Universidade de Uppsala