El Observatorio de Neutrinos IceCube, un telescopio de neutrinos de un kilómetro cúbico situado en el Polo Sur, ha observado un nuevo tipo de mensajero astrofísico. En un nuevo estudio aceptado recientemente para su publicación como sugerencia de los editores por la revista Physical Review Letters y disponible en arXiv En el servidor de preimpresión, la colaboración IceCube, que incluye investigadores de Penn State, presentó el descubrimiento de siete de los alguna vez esquivos neutrinos tau astrofísicos.
Los neutrinos son partículas subatómicas diminutas que interactúan débilmente y que pueden viajar distancias astronómicas sin ser molestadas. Como tales, se les puede rastrear hasta sus fuentes, revelando los misterios de sus orígenes cósmicos. Los neutrinos de alta energía que se originan en los confines más lejanos más allá de nuestra galaxia se denominan neutrinos astrofísicos. Estos mensajeros cósmicos vienen en tres sabores diferentes:electrones, muones y tau, siendo los neutrinos tau astrofísicos excepcionalmente difíciles de precisar.
"En 2013, IceCube presentó su primera evidencia de neutrinos astrofísicos de alta energía originados en aceleradores cósmicos, iniciando una nueva era en astronomía", dijo Doug Cowen, profesor de física y de astronomía y astrofísica en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y uno de los líderes del estudio. "Este nuevo y apasionante descubrimiento conlleva la intrigante posibilidad de aprovechar los neutrinos tau para descubrir nueva física".
IceCube detecta neutrinos utilizando cadenas de módulos ópticos digitales (DOM), con un total de 5.160 DOM incrustados en lo profundo del hielo antártico. Cuando los neutrinos interactúan con los núcleos en el hielo, se producen partículas cargadas que emiten luz azul, que es registrada y digitalizada por los DOM individuales, mientras viajan a través del hielo. La luz produce patrones distintivos. Uno de estos patrones, llamado eventos de doble cascada, es indicativo de interacciones de neutrinos tau de alta energía dentro del detector.
Los análisis anteriores de IceCube detectaron indicios de estas sutiles firmas producidas por neutrinos tau astrofísicos, por lo que los investigadores siguieron motivados para identificar estas elusivas partículas. Los investigadores representaron los datos de cada posible evento de neutrino tau en imágenes y luego entrenaron redes neuronales convolucionales (CNN), un tipo de algoritmo de aprendizaje automático optimizado para la clasificación de imágenes, en las imágenes.
Esto permitió a los investigadores distinguir las imágenes producidas por los neutrinos tau de las imágenes producidas por diversos fondos. Después de realizar simulaciones que confirmaron su sensibilidad a los neutrinos tau, la técnica se aplicó a 10 años de datos de IceCube adquiridos entre 2011 y 2020. El resultado fueron siete eventos de neutrinos tau candidatos fuertes.
"La detección de siete eventos candidatos de neutrinos tau en los datos, combinada con la muy baja cantidad de antecedentes esperados, nos permite afirmar que es muy poco probable que los antecedentes conspiren para producir siete impostores de neutrinos tau", dijo Cowen. "Dado que los neutrinos tau con las energías observadas sólo pueden ser producidos por fuentes astrofísicas, su detección también proporciona una fuerte confirmación del descubrimiento anterior de IceCube sobre el flujo de neutrinos astrofísicos."
Cowen añadió que la probabilidad de que el fondo imitara la señal se estimaba en menos de 1 entre 3,5 millones, lo que corresponde a una significación superior a cinco sigma, considerado el estándar de oro estadístico para nuevos descubrimientos en física.
Los análisis futuros incorporarán más cuerdas de IceCube, ya que este estudio utilizó solo las tres más iluminadas. Un nuevo análisis de este tipo aumentaría la muestra de neutrinos tau que luego se puede utilizar para realizar el primer estudio de tres sabores del fenómeno en el que los neutrinos cambian de sabor (llamados oscilaciones de neutrinos) a lo largo de distancias cosmológicas. Este tipo de estudio podría abordar cuestiones como el mecanismo de producción de neutrinos a partir de fuentes astrofísicas y las propiedades del propio espacio a través del cual viajan los neutrinos, dijeron los investigadores.
Actualmente, no existe ninguna herramienta diseñada específicamente para determinar la energía y la dirección de los neutrinos tau que producen las firmas observadas en este análisis. Un algoritmo de este tipo podría utilizarse en tiempo real para diferenciar mejor una señal potencial de neutrino tau del fondo y ayudar a identificar neutrinos tau candidatos en el Polo Sur. De manera similar a las alertas actuales en tiempo real de IceCube emitidas para otros tipos de neutrinos, las alertas para neutrinos tau podrían enviarse a la comunidad astronómica para estudios de seguimiento.
Aproximadamente 300 físicos de 59 instituciones en 14 países forman la colaboración IceCube. Además de Cowen, los autores del estudio de Penn State incluyen a Derek Fox, profesor asociado de astronomía y astrofísica; los investigadores postdoctorales Aaron T. Fienberg, Kayla Leonard DeHolton y Jan Weldert; y la estudiante de posgrado Daria V. Pankova.
Más información: Observación de siete candidatos a neutrinos Tau astrofísicos con IceCube, arXiv (2024). DOI:10.48550/arXiv.2403.02516
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
