Un tipo raro de neutrino energético enviado desde poderosos objetos astronómicos

Alrededor de un billón partículas diminutas llamadas neutrinos pasar a través de ti cada segundo. Creados durante el Big Bang, estos neutrinos “reliquias” existen en todo el universo, pero no pueden hacerte daño. De hecho, es probable que sólo uno de ellos golpee ligeramente un átomo de su cuerpo durante toda su vida.

La mayoría de los neutrinos producidos por objetos. como los agujeros negros Tienen mucha más energía que los neutrinos reliquias que flotan en el espacio. Aunque son mucho más raros, es más probable que estos energéticos neutrinos choquen contra algo y creen una señal que físicos como yo puede detectar. Pero para detectarlos, los físicos de neutrinos han tenido que construir experimentos muy grandes.

Cubo de hielouno de esos experimentos, documentó un tipo especialmente raro de neutrino astrofísico particularmente energético en un estudio publicado en abril de 2024. Estos neutrinos energéticos a menudo se hacen pasar por otros tipos de neutrinos más comunes. Pero por primera vez, mis colegas y yo logramos detectarlos, extrayendo algunos de casi 10 años de datos.

Su presencia acerca a investigadores como yo un paso más hacia desentrañar el misterio de cómo se producen en primer lugar partículas altamente energéticas como los neutrinos astrofísicos.

Observatorio IceCube

El Observatorio de neutrinos IceCube es el gorila de 800 libras de grandes experimentos con neutrinos. Tiene unos 5.000 sensores que han observado atentamente una gigatonelada de hielo bajo el Polo Sur durante más de una década. Cuando un neutrino choca con un átomo en el hielo, produce una bola de luz que los sensores registran.

Cuando los neutrinos se mueven a través de IceCube, una pequeña fracción de ellos interactuará con los átomos del hielo y producirá luz, que los sensores registran. En el vídeo, las esferas representan sensores individuales, y el tamaño de cada esfera es proporcional a la cantidad de luz que detecta. Los colores indican el tiempo relativo de llegada de la luz, según los colores del arco iris, siendo el rojo el primero en llegar y el violeta el último.

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IceCube ha detectado neutrinos creados en varios lugares, como el atmósfera terrestreel centro de la Via Láctea y agujeros negros en otras galaxias a muchos años luz de distancia.

Pero el neutrino tau, un tipo de neutrino particularmente energético, ha eludido a IceCube… hasta ahora.

Sabores de neutrinos

Entran los neutrinos tres tipos diferentes, que los físicos llaman sabores. Cada sabor deja una huella distinta en un detector como IceCube.

Cuando un neutrino choca contra otra partícula, normalmente produce una partícula cargada que se corresponde con su sabor. Un neutrino muónico produce un muón, un neutrino electrónico produce un electrón y un neutrino tau produce una tau.

Los neutrinos con sabor a muón tienen la firma más distintiva, por lo que mis colegas y yo en la colaboración IceCube, naturalmente, los buscamos primero. El muón emitido por una colisión de neutrinos muónicos viajará a través de cientos de metros de hielo, formando un largo rastro de luz detectable, antes de desintegrarse. Esta pista permite a los investigadores rastrear el origen del neutrino.

A continuación, el equipo examinó los neutrinos electrónicos, cuyas interacciones producen una bola de luz aproximadamente esférica. El electrón producido por la colisión de un neutrino electrónico nunca se desintegra y choca contra cada partícula del hielo a la que se acerca. Esta interacción deja una bola de luz en expansión a su paso antes de que el electrón finalmente se detenga.

Dado que la dirección del neutrino electrónico es muy difícil de discernir a simple vista, los físicos de IceCube aplicaron técnicas de aprendizaje automático para señalar dónde podrían haberse creado los neutrinos electrónicos. Estas técnicas emplean recursos computacionales sofisticados y ajustan millones de parámetros para separar las señales de neutrinos de todos los orígenes conocidos.

El tercer tipo de neutrino, el neutrino tau, es el camaleón del trío. Un neutrino tau puede aparecer como un rastro de luz, mientras que el siguiente puede aparecer como una bola. La partícula tau creada en la colisión viaja durante una pequeña fracción de segundo antes de desintegrarse, y cuando lo hace, normalmente produce una bola de luz.

Esos neutrinos tau crear dos bolas de luz, uno en el que inicialmente chocan contra algo y crean una tau, y otro en el que la propia tau decae. La mayor parte del tiempo, la partícula tau se desintegra después de viajar sólo una distancia muy corta, lo que hace que las dos bolas de luz se superpongan tanto que sean indistinguibles de una sola bola.

Pero a energías más altas, la partícula tau emitida puede viajar decenas de metros, lo que da como resultado dos bolas de luz separadas entre sí. Los físicos armados con esas técnicas de aprendizaje automático pueden ver a través de esto y encontrar la aguja en el pajar.

Neutrinos Tau energéticos

Con estas herramientas computacionales, el equipo logró extraer siete fuertes candidatos a neutrinos tau a partir de unos 10 años de datos. Estos taus tenían energías más altas que incluso los aceleradores de partículas más potentes de la Tierra, lo que significa que deben provenir de fuentes astrofísicas, como los agujeros negros.

Estos datos confirman la afirmación de IceCube. descubrimiento anterior de neutrinos astrofísicos, y confirman una pista que IceCube recogió previamente de neutrinos tau astrofísicos.

Estos resultados también sugieren que incluso a las energías más altas y a grandes distancias, Los neutrinos se comportan de forma muy parecida. como lo hacen a energías más bajas.

En particular, la detección de neutrinos tau astrofísicos confirma que los neutrinos energéticos de fuentes distantes cambiar de sabor u oscilar. Los neutrinos con energías mucho más bajas que viajan distancias mucho más cortas también oscilan de la misma manera.

A medida que IceCube y otros experimentos con neutrinos recopilen más datos y los científicos mejoren en la distinción de los tres tipos de neutrinos, los investigadores eventualmente podrán adivinar cómo se producen los neutrinos que provienen de los agujeros negros. También queremos saber si el espacio entre la Tierra y estos distantes aceleradores astrofísicos de neutrinos Trata las partículas de manera diferente dependiendo de su masa..

Siempre habrá menos neutrinos tau energéticos y sus primos muones y electrones en comparación con los neutrinos más comunes que provienen del Big Bang. Pero hay suficientes para ayudar a científicos como yo a buscar los emisores de neutrinos más potentes del universo y estudiar el espacio ilimitado que hay entre ellos.

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David Cowen es profesor de Física y profesor de Astronomía y Astrofísica en Penn State. Este artículo se republica desde La conversación debajo de Licencia Creative Commons. Leer el artículo original.