Una visualización del evento Glashow registrado por el detector IceCube. Cada círculo de color muestra un sensor IceCube que fue activado por el evento; los círculos rojos indican sensores activados antes en el tiempo, y los círculos verde-azul indican que los sensores se activaron más tarde. Este evento fue apodado "Hydrangea". Crédito:Colaboración IceCube
El 6 de diciembre 2016, una partícula de alta energía llamada antineutrino electrónico se lanzó a la Tierra desde el espacio exterior a una velocidad cercana a la de la luz que transporta 6,3 petaelectronvoltios (PeV) de energía. En lo profundo de la capa de hielo en el Polo Sur, se estrelló contra un electrón y produjo una partícula que rápidamente se descompuso en una lluvia de partículas secundarias. La interacción fue capturada por un enorme telescopio enterrado en el glaciar antártico, el Observatorio de Neutrinos IceCube.
IceCube había visto un evento de resonancia de Glashow, un fenómeno predicho por el físico premio Nobel Sheldon Glashow en 1960. Con esta detección, los científicos proporcionaron otra confirmación del modelo estándar de física de partículas. También demostró aún más la capacidad de IceCube, que detecta partículas casi sin masa llamadas neutrinos utilizando miles de sensores incrustados en el hielo antártico, hacer física fundamental. El resultado fue publicado el 10 de marzo en Naturaleza .
Sheldon Glashow propuso por primera vez esta resonancia en 1960 cuando era investigador postdoctoral en lo que hoy es el Instituto Niels Bohr en Copenhague. Dinamarca. Allí, escribió un artículo en el que predijo que un antineutrino (el gemelo de antimateria de un neutrino) podría interactuar con un electrón para producir una partícula aún no descubierta, si el antineutrino hubiera solo la energía correcta, a través de un proceso conocido como resonancia.
Cuando la partícula propuesta, la W - bosón fue finalmente descubierto en 1983, resultó ser mucho más pesado de lo que Glashow y sus colegas esperaban en 1960. La resonancia de Glashow requeriría un neutrino con una energía de 6.3 PeV, casi 1, 000 veces más enérgico de lo que es capaz de producir el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. De hecho, ningún acelerador de partículas hecho por humanos en la Tierra, actual o planificado, podría crear un neutrino con tanta energía.
Pero que tal un natural acelerador - en el espacio? Las enormes energías de los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias y otros eventos cósmicos extremos pueden generar partículas con energías imposibles de crear en la Tierra. Tal fenómeno probablemente fue responsable del antineutrino 6.3 PeV que llegó a IceCube en 2016.
El electrón antineutrino que creó el evento de resonancia de Glashow viajó una gran distancia antes de llegar a IceCube. Este gráfico muestra su recorrido; la línea de puntos azul es la ruta del antineutrino. (No a escala) Crédito:IceCube Collaboration
"Cuando Glashow era un postdoctorado en Niels Bohr, nunca podría haber imaginado que su propuesta poco convencional para producir la W - bosón sería realizado por un antineutrino de una galaxia lejana chocando contra el hielo antártico, "dice Francis Halzen, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison, la sede de mantenimiento y operaciones de IceCube, e investigador principal de IceCube.
Desde que IceCube comenzó a funcionar completamente en mayo de 2011, el observatorio ha detectado cientos de neutrinos astrofísicos de alta energía y ha producido una serie de resultados significativos en astrofísica de partículas, incluido el descubrimiento de un flujo de neutrinos astrofísicos en 2013 y la primera identificación de una fuente de neutrinos astrofísicos en 2018. Pero el evento de resonancia de Glashow es especialmente notable debido a su energía notablemente alta; es solo el tercer evento detectado por IceCube con una energía superior a 5 PeV.
"Este resultado prueba la viabilidad de la astronomía de neutrinos y la capacidad de IceCube para hacerlo, que desempeñará un papel importante en la futura física de astropartículas de múltiples mensajeros". "dice Christian Haack, quien era un estudiante de posgrado en RWTH Aachen mientras trabajaba en este análisis. "Ahora podemos detectar eventos de neutrinos individuales que son inconfundiblemente de origen extraterrestre".
El resultado también abre un nuevo capítulo de la astronomía de neutrinos porque comienza a desenredar los neutrinos de los antineutrinos. "Las mediciones anteriores no han sido sensibles a la diferencia entre neutrinos y antineutrinos, por lo que este resultado es la primera medición directa de un componente antineutrino del flujo de neutrinos astrofísicos, "dice Lu Lu, uno de los principales analizadores de este trabajo, quien fue un postdoctorado en la Universidad de Chiba en Japón durante el análisis.
"Hay una serie de propiedades de las fuentes de los neutrinos astrofísicos que no podemos medir, como el tamaño físico del acelerador y la fuerza del campo magnético en la región de aceleración, "dice Tianlu Yuan, un científico asistente en el Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin y otro analizador principal. "Si podemos determinar la relación neutrino-antineutrino, podemos investigar directamente estas propiedades ".
Un esquema de la porción de hielo de IceCube, que incluye 86 cuerdas con capacidad para 5, 160 sensores de luz dispuestos en una rejilla hexagonal tridimensional. Crédito:Colaboración IceCube
Para confirmar la detección y realizar una medición decisiva de la relación neutrino / antineutrino, IceCube Collaboration quiere ver más resonancias de Glashow. Una expansión propuesta del detector IceCube, IceCube-Gen2, permitiría a los científicos hacer tales mediciones de una manera estadísticamente significativa. La colaboración anunció recientemente una actualización del detector que se implementará en los próximos años. el primer paso hacia IceCube-Gen2.
Glashow, ahora profesor emérito de física en la Universidad de Boston, se hace eco de la necesidad de más detecciones de eventos de resonancia de Glashow. "Para estar absolutamente seguro, Deberíamos ver otro evento de este tipo con la misma energía que el que se vio, ", dice." Hasta ahora hay uno, y algún día habrá más ".
Por último, si bien no menos importante, el resultado demuestra el valor de la colaboración internacional. IceCube es operado por más de 400 científicos, ingenieros y personal de 53 instituciones en 12 países, juntos conocidos como IceCube Collaboration. Los principales analizadores de este documento trabajaron juntos en Asia, Norteamérica, y Europa.
IceCube se encuentra en el Polo Sur, esperando ver partículas del cosmos. Crédito:Yuya Makino, IceCube / NSF
"La detección de este evento es otra 'primicia, 'demostrando una vez más la capacidad de IceCube para ofrecer resultados únicos y sobresalientes, "dice Olga Botner, profesor de física en la Universidad de Uppsala en Suecia y ex portavoz de IceCube Collaboration.
"IceCube es un proyecto maravilloso. En solo unos años de funcionamiento, el detector descubrió lo que fue financiado para descubrir:los neutrinos cósmicos de mayor energía, su fuente potencial en blazares, y su capacidad para ayudar en la astrofísica de múltiples mensajeros, "dice Vladimir Papitashvili, oficial de programas en la Oficina de Programas Polares de la National Science Foundation, Financiador principal de IceCube. James Whitmore, oficial de programa en la División de Física de la NSF, agrega, "Ahora, IceCube sorprende a los científicos con una rica fuente de nuevos tesoros que incluso los teóricos no esperaban encontrar tan pronto ".
