El observatorio de neutrinos IceCube incrustado en el hielo en el polo sur. Crédito de la imagen: Jack Pairin / IceCube Collaboration.
En las profundidades del polo sur, dispositivos enterrados encontraron neutrinos tau muy esquivos que fueron enviados hacia la Tierra por intensos eventos astrofísicos.
Científicos utilizando el observatorio IceCube, que se encuentra en el polo sur, han descubierto siete «partículas fantasmas» poco comunes y exóticas que atravesaron la Tierra. Las señales indican que estas partículas son neutrinos tau, las cuales son importantes mensajeros entre nosotros y los poderosos fenómenos celestes de alta energía.
Los neutrinos son partículas sin carga y casi sin masa, que viajan a velocidades cercanas a la luz a través del cosmos. Debido a estos parámetros, los neutrinos apenas interactúan con otras cosas. Alrededor de 100 billones de ellos pasan por nuestro cuerpo cada segundo. No nos damos cuenta. Si fueras un detector de neutrinos de tamaño humano, tendrías que esperar aproximadamente cien años para que un neutrino interaccionara con una partícula de tu cuerpo. Debido a esto, los neutrinos son conocidos como «partículas fantasmas».
Los neutrinos astrofísicos son neutrinos de alta energía que provienen de fuentes cósmicas cercanas a la frontera de la Vía Láctea y se clasifican en tres categorías o generaciones: neutrinos de electrones, neutrinos de muones y neutrinos tau. Como era de esperar, estas partículas fantasmas son extremadamente esquivas, pero la tarea de IceCube es encontrarlas. El observatorio detectó por primera vez neutrinos astrofísicos en el 2013, y ahora parece haber encontrado neutrinos tau astrofísicos, que podrían ser un tipo completamente nuevo de mensajero cósmico.
«La detección de siete eventos candidatos a neutrinos tau en los datos, combinada con la muy baja cantidad de fondo esperada, nos permite afirmar que es altamente improbable que los fondos estén conspirando para producir siete impostores de neutrinos tau», afirmó en un comunicado Doug Cowen, colíder del estudio y profesor de Física en la Universidad Estatal de Pensilvania. «El descubrimiento de neutrinos tau astrofísicos también proporciona una fuerte confirmación del descubrimiento anterior de IceCube del flujo de neutrinos astrofísicos difusos».
Atrapados bajo el hielo.
IceCube utiliza cadenas de globos dorados incrustados en el hielo llamados módulos ópticos digitales, también conocidos como DOM, para detectar neutrinos al atravesar la Tierra. El observatorio tiene 5.160 DOM enterrados en las profundidades del hielo antártico a la espera de que los neutrinos interactúen con las moléculas de hielo y produzcan partículas cargadas. Cuando estas partículas cargadas atraviesan el hielo, emiten luz azul que los DOM registran.
En particular, cuando los neutrinos tau de alta energía interactúan con las moléculas, se producen emisiones de luz distintivas, incluyendo una cascada doble que genera dos picos en los niveles de luz detectados por los DOM.
Anteriormente, IceCube había detectado señales atractivas de las firmas de neutrinos tau, sin embargo, Cowen y sus compañeros tenían la intención de identificar las partículas complejas.
Actualmente, IceCube no puede detectar neutrinos tau en «tiempo real». Para encontrar estos fantasmas cósmicos se necesitan diez años de datos archivados. Por este motivo, el equipo entrenó lo que se conoce como «redes neuronales convolucionales de clasificación optimizada de imágenes» para examinar casi 10 años de datos de IceCube recogidos entre 2011 y 2020 en busca de firmas de neutrinos tau.
El resultado fue la detección de siete posibles candidatos fuertes a neutrinos tau.
Aunque el equipo cree que estas detecciones son el resultado de un error de identificación, Cowen dijo que la probabilidad de que un fondo detectado por DOM imite esta señal es de solo 1 entre 3,5 millones.
Los hallazgos actuales solo incluyen tres cadenas de detectores DOM, pero los análisis posteriores utilizarán más perlas heladas y doradas. Esto podría ayudar a los científicos a realizar el primer estudio de tres generaciones de oscilaciones de neutrinos y aumentar la muestra de neutrinos tau detectados. Se trata del fenómeno en el que los neutrinos cambian de sabor mientras viajan a gran distancia a través del espacio.
La comprensión de las oscilaciones de los neutrinos podría ser crucial para comprender cómo se producen estas partículas fantasmas, qué sucesos las lanzan al espacio por primera vez y por qué pasan a las siguientes generaciones con el tiempo.
Cowen concluye que este sorprendente hallazgo conlleva la fascinante posibilidad de utilizar los neutrinos tau para descubrir nueva física..
La investigación del equipo ha sido aceptada para su publicación en la revista Physical Review Letters y se encuentra en el repositorio de artículos arXiv.
REFERENCIAS
IceCube observes seven astrophysical tau neutrino candidates. IceCube: https://icecube.wisc.edu/news/research/2024/03/icecube-observes-seven-astrophysical-tau-neutrino-candidates/
Observation of Seven Astrophysical Tau Neutrino Candidates with IceCube. arXiv: https://arxiv.org/abs/2403.02516
