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Mais uma partícula exótica atinge detector no polo sul

Descoberta foi anunciada no encontro da Sociedade Física Americana, em Savannah

NSF/C. Pobes
O laboratório IceCube, no polo sul, encontrou neutrinos que podem se originar nos eventos mais violentos do Universo.
O experimento IceCube foi atingido por três neutrinos carregados de energias superiores à elevada faixa de voltagem peta-elétron (um peta equivale a 1015), sugerindo que eles podem ser irradiados por explosões titânicas nas profundezas do espaço

Por Clara Moskowitz 

SAVANNAH, Geórgia — Até o momento, a instalação subterrânea no polo sul já descobriu três dos neutrinos mais energéticos já encontrados; partículas que talvez sejam criadas nas explosões mais violentas do Universo. Todos esses neutrinos têm energias na escala absurdamente alta de peta-elétron volts, uma energia aproximadamente equivalente a um milhão de vezes a massa de um próton. (Como Albert Einstein mostrou em sua famosa equação E = mc2, energia e massa são equivalentes, e uma quantidade tão grande de massa se converte em um nível extremo de energia.)

O experimento, chamado IceCube, revelou a descoberta dos dois primeiros neutrino, apelidados Ernie e Bert, no ano passado. A descoberta do terceiro foi anunciada no dia 7 de abril no encontro da Sociedade Física Americana, em Savannah. “Internamente, ele é conhecido como Big Bird”, informou o físico do IceCube Chris Weaver, da University Wisconsin-Madison.

Esses neutrinos são valiosos por serem extremamente “reservados”, raramente interagindo com outras partículas. Além disso, como não possuem cargas energéticas, sua direção nunca é desviada por campos magnéticos no Universo. Por essa razão, suas trajetórias deveriam apontar diretamente para suas fontes de origem que, na opinião de astrônomos, poderiam ser diversos eventos intensos, como gigantescos buracos negros incorporando matéria, explosões chamadas erupções de raios gama ou galáxias formando estrelas a ritmos alucinantes.

A propensão a não interagir dificulta imensamente a detecção de neutrinos. O experimento IceCube procura registrar as ocasiões extremamente raras quando neutrinos colidem com átomos em um quilômetro cúbico (km3) de gelo enterrado abaixo do polo sul. Essa blindagem é necessária para filtrar (eliminar) colisões de outras partículas, mas ela não inibe neutrinos.

O experimento aproveita o gelo naturalmente puro do local, utilizando uma região subterrânea que tem duas vezes a profundidade do Grand Canyon.

Milhares de detectores de luz estão embutidos no gelo para captar os pequenos “blips”, pontos de luz criados quando neutrinos são capturados. Essas interações são tão infrequentes que pesquisadores do IceCube tiveram que procurar durante dois anos para encontrar os três neutrinos de alta energia.

Durante esse período o instrumento também detectou 34 neutrinos de energias um pouco mais baixas. Acredita-se que alguns deles sejam contaminações criadas quando partículas carregadas, chamadas raios cósmicos, atingem a atmosfera da Terra, mas uma parcela das capturas do IceCube provavelmente veio diretamente de processos violentos no Cosmos. Essas partículas são chamadas neutrinos astrofísicos. “Parece que conseguimos reunir evidências convincentes de neutrinos astrofísicos”, comemora o físico Albrecht Karle, da University of Wisconsin-Madison e membro da equipe do IceCube.

Os próprios raios cósmicos são um mistério.

Acredita-se que os mais enérgicos entre eles tenham origem nos mesmos processos que geram neutrinos astrofísicos. Mas como raios cósmicos (que, apesar do nome, na realidade são partículas de alta energia) têm cargas energéticas, eles viajam através do Universo por caminhos curvos, moldados por campos magnéticos.

O resultado disso é que eles não preservam informações de onde vieram. Estudar neutrinos é uma maneira de tentar entender a origem dos raios cósmicos de alta energia que, de algum modo, são acelerados a uma velocidade quase igual à da luz em algum tipo de acelerador de partículas cósmico.

Mas como, exatamente, isso acontece é uma questão em aberto que apenas mostra o quanto não sabemos sobre os processos mais violentos no Universo. “Esse é o maior mistério de nosso século”, admite Toshihiro Fujii, um pesquisador de raios cósmicos do Instituto Kavli para Física Cosmológica da University of Chicago. Fujii não esteve envolvido no experimento IceCube, mas garante que seus resultados ajudarão sua meta de compreender raios cósmicos.

Um debate que envolve neutrinos de alta energia e raios cósmicos é se eles vêm de fontes galácticas ou extragalácticas; em outras palavras: eles se originam dentro ou fora de nossa galáxia, a Via Láctea?

A maioria das teorias favorece fontes extragalácticas como núcleos galácticos ativos — buracos negros supermassivos nos centros de outras galáxias que se alimentam de matéria.

Outra opção seriam erupções de raios gama, as explosões mais brilhantes conhecidas no Universo, que podem ocorrer durante o nascimento de algumas supernovas ou quando duas estrelas de nêutrons se fundem.

Outra possibilidade é que essas partículas são um subproduto de galáxias que estão colidindo e enviando ondas de choque através de seus gases, fazendo com que estrelas se formem a velocidades fantásticas.

Também é possível que a matéria escura, o “material” invisível que supera de longe a matéria conhecida no Universo, esteja, de alguma forma, criando raios cósmicos e neutrinos de alta energia.

Com base na direção em que os 37 neutrinos viajavam quando atingiram o IceCube, poucos deles parecem ter se originado no plano galáctico, a parte mais densa da Via Láctea. Isso sugere que eles vieram de fora da nossa galáxia. “Alguns dos eventos mais interessantes estão muito distantes do plano galáctico”, salientou Nathan Whitehorn, pesquisador do IceCube na University Wisconsin-Madison. “Explicações puramente galácticas são difíceis”.

À medida que o experimento capturar mais neutrinos de alta energia nos próximos anos, o mapa do IceCube de fontes de neutrinos no céu será aprimorado.

Cientistas estão particularmente interessados em descobrir se qualquer uma das partículas que o IceCube detecta pode ser rastreada até objetos cosmológicos conhecidos, como núcleos galácticos ativos visíveis ou erupções de raios gama. “Até hoje não temos qualquer evidência de correlação com uma fonte conhecida”, admite Naoko Kurahashi Neilson, outro colaborador do projeto IceCube na University Wisconsin-Madison “ mas isso está no alto da lista”.

Sciam 9 de abril de 2014

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