Observatório IceCube detecta o Tau-neutrino!

Mas confirma que afinal os neutrinos vêm em três sabores.

Os Neutrinos de alta energia detectados pelo Observatório IceCube na Antárctida são distribuídos igualmente entre os três possíveis sabores de neutrinos, de acordo com duas equipas independentes de cientistas. As suas análises vieram refutar um estudo preliminar de dados, que sugeria que a maioria das partículas detectadas teriam sido electrões-neutrinos. O último resultado está em linha com a nossa compreensão atual sobre os neutrinos, e parece acabar com as esperanças de que os dados iniciais do IceCube apontavam para uma “física exótica” para além do Modelo Padrão.

Localizado na Estação Pólo Sul Amundsen-Scott, o Observatório de Neutrinos IceCube é uma grande variedade de foto-detectores enterrados no gelo. No final de 2013 o IceCube revelou que tinha capturado os primeiros sinais de neutrinos com energias extremamente altas, o que sugere que as partículas vieram de fora da nossa galáxia. Enquanto que neutrinos gerados no interior do Sol e pelos raios cósmicos que colidem com a atmosfera da Terra foram detectados há muitos anos, os neutrinos provenientes de fora da Via Láctea, de muito mais longe tinham iludido a deteção. Em resultado, a descoberta foi nomeada “Breakthrough Physics World of the Year em 2013.” (Avanço do Ano de 2013 pela revista Physics World, do IOP- Institute of Physics, do Reino Unido).

Os Neutrinos vêm em três tipos diferentes, ou “sabores” – electrão, muão e tau – e mudam ou “oscilam” de um tipo para outro, à medida que viajam através de longas distâncias. Para neutrinos que viajaram arbitrariamente grandes distâncias, nós esperamos ver números quase iguais de cada sabor quando atingem a Terra – ou seja, uma relação de cerca de 1 electrão: 1 muão: 1 tau. Dependendo de como os neutrinos foram produzidos, haverá pequenos desvios a esta distribuição igual de sabores. Este desvio deve dar-nos informações sobre como e onde os neutrinos foram produzidos.

Imagem: Francisco Villatoro, Universidade de Málaga.

Abundância de electrão-neutrinos

Em 2014 Olga Mena, Sergio Palomares-Ruiz e Aaron Vincent, da Universidade de Valência, em Espanha fizeram uma análise independente dos dados IceCube 2010-2012, e tinham concluido que a melhor relação de sabores foi a de 1: 0: 0 – uma abundância de electrão-neutrinos sem muão ou tau neutrinos presentes. Se fosse verdade, este resultado inesperado significaria que aconteciam decaimentos raros de neutrinos ou que as partículas detectadas eram a mistura com um quarto e muito hipotético neutrino “estéril”. Em ambos os casos, a descoberta poderia ter apontado para a física exótica além da nossa compreensão atual.

O Observatório IceCube detecta neutrinos dos três sabores quando estes produzem pequenos chuveiros de partículas e como eles interagem dentro do detector. No entanto, os muão-neutrinos e uma pequena fração dos tau-neutrinos também produzem um muão altamente energético que é visível como uma faixa quando como esta viaja por todo o detector. “Então, se observarmos essa trilha, podemos dizer um evento ou era um muão ou um tau neutrino, mas não qual dos dois”, diz Gary Binder, que é um físico da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e parte da colaboração IceCube. Ele explica: “Nós não podemos dizer com certeza que sabor é produzido num determinado evento, mas podemos fazer uma análise estatística sobre a distribuição dos chuveiros e faixas para estimar a abundância de cada sabor.”

Agora, no entanto, Binder e colegas do IceCube analisaram um conjunto muito maior de dados do IceCube, recolhidos através de 974 dias a partir de Maio de 2010 até Maio de 2013. Foram identificados 137 neutrinos com energias superiores a 35 TeV e descobriu-se que os neutrinos são distribuídos igualmente entre os três sabores.

“Não importa o que nós ajustemos nos parâmetros, simplesmente não há maneira de obter todos os neutrinos como electrão-neutrinos, uma observação que indicaria uma nova física que afecta os neutrinos cósmicos e como eles viajam longas distâncias”, diz Binder.

Uma análise similar foi realizada por um grupo independente na Itália, liderada por Francesco Vissani e Andrea Palladino no Instituto de Ciência Sasso Gran em L’Aquila e pelo Gran Sasso Laboratories em Assergi. Este grupo é focado em neutrinos com energias acima de 60 TeV, e também concluíram que os dados são consistentes com os modelos astrofísicos convencionais.

Desvendando os mistérios

Binder disse à physicsworld.com: “até agora, a relação sabor é consistente com a hipótese de igualdade de sabor, e não temos precisão suficiente para medir os pequenos desvios que poderíamos contar sobre os objetos astronómicos que produzem neutrinos cósmicos, mas esperamos poder mudar isso muito em breve. ” Ele acrescenta, que “antecipar as informações que coligimos a partir de estudos de sabor vai-nos ajudar a resolver o mistério da geração desses neutrinos e o da sua origem”.

Binder também aponta que há uma série de ideias exóticas que preveem desvios muito maiores a partir da expectativa de igual sabor. “Medir a proporção sabor poderia-nos dar pistas para a física além do Modelo Padrão, mas até agora ainda não vimos evidências para qualquer coisa exótica”, diz ele.

Vassani acrescenta que o mais recente trabalho conclui “para além de qualquer dúvida de que esses neutrinos vêm de fontes cósmicas, observando-se pela primeira vez um neutrino tau“. Ele também aponta que o IceCube mede a distribuição de energia dos neutrinos, o que também poderia fornecer pistas importantes sobre as suas fontes.

A pesquisa é publicada em dois artigos na revista Physical Review Letters – um de Palladino et al. e outro do IceCube.

Sobre o autor do comunicado do IOP:

Tushna Comissariado é um repórter para physicsworld.com

Os animais foram retratados pela equipa de Físicos do Observatório IceCube.