Investigadores del Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida han encontrado siete señales que potencialmente podrían indicar neutrinos tau (que son famosos por su dificultad de detectar) provenientes de objetos astrofísicos.
Los neutrinos son algunas de las partículas más difíciles de detectar debido a su masa extremadamente baja y sus débiles interacciones con la materia. Una de las razones por las que los científicos están interesados en estas partículas es su capacidad para viajar largas distancias, lo que significa que pueden contener información sobre procesos astrofísicos y objetos que suceden lejos de nosotros.
La colaboración IceCube tiene como objetivo estudiar estos neutrinos observando en los detectores el rastro que dejan cuando interactúan o atraviesan el hielo.
El presente estudio, publicado en Physical Review Letters , detalla cómo IceCube ha observado señales de neutrinos, siete de los cuales podrían ser el neutrino tau.
Los investigadores utilizaron redes neuronales convolucionales (CNN) para examinar 9,7 años de datos recopilados por el observatorio del Polo Sur. Su principal desafío fue distinguir entre los tres "sabores" de neutrinos, los cuales dejan señales similares.
El neutrino se presenta en tres variantes o sabores, como se los conoce en la comunidad científica:el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau. Son las partículas con masa más abundantes del universo, ¡ya que 100 billones de ellas pasan por tu cuerpo cada segundo!
Sin embargo, como se mencionó anteriormente, son muy difíciles de detectar y es aún más difícil distinguir entre los sabores.
"En comparación con otras partículas, aislar neutrinos es particularmente desafiante debido a sus débiles interacciones con la materia. Los neutrinos tau pueden imitar fácilmente a los neutrinos electrónicos o muónicos, los otros dos tipos conocidos de neutrinos, por lo que aislarlos es aún más desafiante", explicó el profesor. Doug Cowen de Penn State a Phys.org, uno de los coautores del estudio.
El Observatorio de Neutrinos IceCube consta de miles de sensores ópticos bajo el hielo repartidos en un kilómetro cúbico en el Polo Sur. Cuando los neutrinos atraviesan el hielo de los detectores, dejan dos tipos de rastros:huellas y cascadas.
¿Cómo detectar la diferencia?
Las huellas son el tipo más común de patrón que queda cuando los neutrinos muónicos chocan con el hielo y son líneas rectas de fotones.
Las cascadas, por el contrario, son menos comunes. Estos patrones consisten en dos puntos brillantes debido a la interacción inicial con el hielo y el posterior retraso en un electrón o partícula tau.
"Un neutrino electrónico produce una segunda bola de luz tan cerca de la primera que IceCube las detecta como una sola bola. Por el contrario, un neutrino tau puede viajar unos 10 metros antes de desintegrarse, formando una segunda bola de luz que IceCube puede distinguir desde el principio", afirmó el profesor Cowen.
El desafío es que los patrones se ven muy similares en los detectores, lo que los hace difíciles de distinguir. Esta ambigüedad llevó a los investigadores a utilizar CNN para, como dijo el profesor Cowen, "manejar los innumerables patrones que los neutrinos tau son capaces de producir".
"Las CNN fueron diseñadas para distinguir imágenes, como imágenes de perros, de imágenes de gatos y para hacerlo para diferentes razas, diferentes fondos, diferentes luces, etc.", explicó el profesor Cowen.
Esto los convirtió en el candidato perfecto para examinar los datos recopilados por el Observatorio de Neutrinos IceCube e identificar señales pertenecientes al neutrino tau.
Para entrenar la red, los investigadores utilizaron datos de simulación, que incluían varios patrones correspondientes a interacciones de neutrinos tau y ruido de fondo.
En este contexto, el ruido de fondo se refiere a señales que podrían ser causadas por otras fuentes astrofísicas pero que imitan fielmente las características del neutrino tau.
Al entrenar las CNN con señales de neutrinos tau y ruido de fondo, los investigadores pretendieron desarrollar un modelo capaz de distinguir señales genuinas de neutrinos tau de otras fuentes.
"Con más de 100 millones de parámetros entrenables, nuestras CNN podrían extraer todas las agujas de neutrinos tau del pajar de los fondos", afirmó el profesor Cowen.
Los investigadores esperaban ver seis neutrinos tau pero terminaron viendo siete. Esto es una continuación de su trabajo de 2013, cuando IceCube identificó con éxito cientos de neutrinos muónicos y un antineutrino electrónico de un agujero negro.
Su análisis confirmó que todos los tipos de neutrinos se comportaron como se esperaba incluso después de viajar distancias astronómicas y a energías extremadamente altas, y cada uno de los siete tenía 20 TeV de energía o más. Como referencia, 1 TeV equivale a la energía del movimiento de un mosquito volador.
"Podemos estar seguros de que nuestros siete neutrinos tau provienen de fuentes astrofísicas porque las fuentes de neutrinos en la Tierra, como la atmósfera, no pueden producir neutrinos tau a esta escala de energía. Los siete neutrinos tau proporcionan así una poderosa confirmación del descubrimiento realizado en 2013 por IceCube de neutrinos astrofísicos", afirmó el profesor Cowen.
El hecho de que se hayan confirmado los tres sabores de neutrinos es significativo. Esto se debe a que los neutrinos tienen la capacidad de cambiar entre sabores cuando viajan por el espacio, un fenómeno denominado oscilaciones de neutrinos.
Es sólo la primera vez que los investigadores han podido confirmar que las oscilaciones de neutrinos se producen a energías tan altas y a distancias tan largas.
Si bien los investigadores no pueden decir con un 100% de certeza que las siete señales sean neutrinos tau, confían en sus predicciones. Según su análisis estadístico, existe una probabilidad entre 3,5 millones de que la señal observada se deba a fluctuaciones aleatorias en los datos.
"En términos generales, uno de nuestros siete eventos tiene un 25% de posibilidades de ser un electrón astrofísico o un neutrino muónico y no un neutrino tau", añadió el profesor Cowen.
Una de las observaciones interesantes realizadas por los investigadores fue cómo las CNN identificaban los patrones dejados por los neutrinos tau. El patrón de doble cascada es una característica de los neutrinos tau y en lo que los investigadores pensaron que se basaría el análisis sensible.
Sin embargo, lo que notaron fue mucho más interesante. Si bien algunas de las siete señales tenían este patrón característico, varias no.
"Después determinamos que las CNN se habían centrado en el patrón general de la luz producida por las dos bolas luminosas y eran insensibles al patrón de señal de los sensores individuales", explicó el profesor Cowen.
Esto significa que las CNN estaban observando el patrón general, incluidos los fotones vecinos alrededor de los dos puntos brillantes.
La relevancia de este hallazgo se extiende hasta el origen de los propios neutrinos de alta energía.
"A medida que perfeccionamos nuestras técnicas para encontrar neutrinos tau y determinar sus propiedades a partir de los patrones que producen en nuestro detector, anticipamos poder utilizar su capacidad de apuntar para buscar fuentes astrofísicas, tal vez descubriendo otras nuevas o afinando nuestra imagen actual de neutrinos de el centro galáctico", concluyó el profesor Cowen.
Más información: R. Abbasi et al, Observación de siete candidatos a neutrinos tau astrofísicos con IceCube, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.151001. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2403.02516
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
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